我国组织工程人角膜获阶段成功 角膜病人有望重获光明

廖洋

2010年11月09日09:38  来源:《科学时报》

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  近日,中国海洋大学角膜组织工程实验室所研制的组织工程人角膜内皮动物移植实验获得了巨大成功,这项研究成果不仅使角膜内皮盲患者和白内障术后角膜内皮细胞失代偿患者通过工程角膜内皮临床移植重见光明即将成为现实,也使工程全角膜成功重建及各种角膜盲患者重见光明成为可能。

  □本报记者 廖洋 实习生 路越 丁晓丹

  日前,记者从中国海洋大学获悉,中国海洋大学角膜组织工程实验室研制的组织工程人角膜内皮动物移植实验获得了巨大成功。截至2010年7月8日,所移植的组织工程人角膜内皮已使新西兰兔角膜维持透明391天、家猫角膜维持透明209天、猕猴已维持角膜透明119天,这在国际上尚属首次。

  中国海洋大学角膜组织工程重点实验室主任、中国海洋大学国家生命科学与技术人才培养基地主任、中国海洋大学海洋生命学院副院长、国家细胞生物学教学团队带头人樊廷俊表示:“这项研究成果不仅使角膜内皮盲患者和白内障术后角膜内皮细胞失代偿患者通过工程角膜内皮临床移植重见光明即将成为现实,也使工程全角膜成功重建及各种角膜盲患者重见光明成为可能。”

  角膜盲患者之痛

  我们常说,眼睛是心灵的窗口。透过清澈透明的眼眸,我们能够看到外面五彩缤纷的世界,感受到一个人清澈透明的心灵。在人的眼球中,角膜可以称得上是最为重要的组成部分之一。健康的角膜完全透明且具有一定的曲率半径和屈折力,再加上晶状体的屈光力就可以使光线准确聚焦在眼底的视网膜上,形成我们眼前美丽的世界。

  在世界上,有接近半数的低视力患者,都是因为角膜发生病变而失去光明的。

  据世界卫生组织统计,全世界目前有低视力患者已超过1.35亿人,其中角膜盲患者约6000万人;在我国,低视力患者已超过1230万人,其中由角膜病变引起的约有500万人,仅我国每年就有新增盲人约45万人。值得一提的是,在角膜盲患者中,青壮年约占70%、儿童约占15%,不仅其自身长期蒙受失明的痛苦折磨,无法正常生活、学习和劳动,还给家人和社会带来了巨大的精神和经济负担。目前,角膜移植是角膜盲患者重见光明的唯一希望,但由于捐献角膜的数量极其有限,全国每年能进行的角膜移植手术还不足全部角膜盲患者的1‰,999‰的绝大多数患者因得不到移植角膜而无法复明。

  在上述角膜盲患者中,因为角膜内皮细胞的密度低于维持角膜内皮生理功能的临界密度而引发的角膜内皮盲患者约占1~5-1~4。另外,我国还有白内障患者500余万人、全世界近3000万人,因其临床手术的并发症引起角膜内皮细胞的大量死亡,最终引起角膜内皮细胞失代偿而逐渐致盲,也因得不到移植角膜而无法治疗和复明。

  正是由于角膜内皮在维持角膜厚度、透明度和供养、供氧中具有不可替代的重要作用,组织工程人角膜内皮(以下简称“工程角膜内皮”)能否体外重建成功,是决定工程全角膜能否体外重建成功的关键。

  “因此,体外重建出工程角膜内皮,不仅能使角膜内皮盲和白内障患者复明,而且也是解决各种角膜盲疾病使角膜盲患者重见光明的新希望。”樊廷俊说。

  角膜组织工程——角膜盲患者的复明之光

  应用组织工程技术重建角膜内皮是角膜盲患者复明的希望,也是从根本上解决角膜移植供体材料缺乏和术后免疫排斥反应等问题的关键。樊廷俊介绍说,如何在体外获得大量功能正常的人角膜种子细胞以及如何研制出生物相容性理想的载体支架,是工程角膜内皮及工程全角膜能否体外重建成功的两大关键要素,也是目前角膜组织工程的研究热点和主攻目标。

  由于人角膜内皮细胞在成年后丧失了分裂能力,故对其体外培养和建系的难度最大,缺乏足量的人角膜内皮种子细胞已成为限制工程角膜内皮甚至工程全角膜体外重建的主要瓶颈。对人角膜内皮细胞的体外培养研究开始于19世纪50年代末。此后,许多学者均开始了人角膜内皮细胞的体外培养和建系研究,也利用癌基因转染技术建立了几个永生化人角膜内皮细胞细胞系,但由于癌基因转染所得永生化细胞具有潜在的致瘤性,限制了其在工程角膜内皮构建尤其是临床移植中的应用。

  工程角膜内皮及工程全角膜体外重建成功的关键是使用理想载体支架让种子细胞正常生长与增殖并最终形成近似体内角膜内皮、全角膜的正常组织结构。利用载体支架和人角膜内皮细胞对组织工程人工角膜内皮体外重建的研究开始于19世纪90年代初。学者们利用载体支架和人角膜内皮细胞分别重建出具有近似角膜内皮结构和部分角膜内皮功能的角膜内皮类似物,且移植至刮除内皮层新西兰兔等动物眼中也能维持角膜透明长达一周左右,为利用载体支架和人角膜内皮细胞重建工程角膜内皮开辟了道路。

  “但是这种方法仍然暴露出了不少问题。”樊廷俊阐释说,首先,部分学者所用种子细胞为转染了癌基因的永生化人角膜内皮细胞,因具有潜在致瘤性从而限制了工程角膜内皮在其临床中的应用;其次,部分学者所用种子细胞为来源于眼库角膜的原代培养细胞或者是在24孔培养板中仅传4~5代的细胞,因种子细胞数量的限制,所能重建出的工程角膜内皮数量非常有限,无法满足众多角膜内皮盲患者临床治疗的需要;再次,目前所使用的载体支架大多为人工复合材料,它们对人角膜内皮细胞的生物相容性均不够理想,且其降解物对人体的影响至今仍不清楚。另外,目前所重建出的工程角膜内皮移植后仅能使兔等动物角膜保持透明1周左右,离成功应用于角膜内皮盲等的临床移植和治疗还相距甚远。

  自2002年以来,中国海洋大学角膜组织工程实验室在国家“十五”“863”项目和“十一五”“863”重大项目的资助下,通过9年多的潜心研究,在国际上首次建立了唯一一个未经任何癌基因转染的无致瘤性人角膜内皮细胞系,建立了商品化羊膜的处理和修饰技术,并利用人角膜内皮细胞和修饰羊膜成功建立了工程角膜内皮的体外生产技术工艺,获得了细胞密度高达3400~3600/mm2的工程角膜内皮,截止到2010年7月8日,所生产的工程角膜内皮已使新西兰兔角膜持续维持透明391天、家猫209天、猕猴119天。所取得的关于“组织工程人角膜内皮体外重建及其新西兰兔移植”的研究成果于2009年9月在北京顺利通过了教育部组织的科技成果鉴定,荣获了“国际首创,达到了国际领先水平”的鉴定结论。

  目前,该实验室在樊廷俊的带领下,已与青岛宇明生物技术有限公司合作完成了第III类医疗器械的生产车间,并获得了第III类植入材料及人工器官的生产许可证,为组织工程人角膜内皮的产业化生产做好了准备;同时,还与青岛中皓生物工程有限公司合作开始了组织工程人全角膜的体外重建研究,已成功研制出组织工程人角膜上皮,计划于3~5年内研制出组织工程人全角膜并完成其动物移植实验。

  自主创新攻克国际难题

  在该项课题的研究工作中,中国海洋大学角膜组织工程实验室的樊廷俊团队充分发挥了艰苦奋斗、自主创新精神,特别能吃苦,特别能攻关,取得的多个创新点令世界瞩目。

  在取得的诸多成就中,最有影响力的当属该项目建立了国际上唯一一个未经癌基因转染、没有任何致瘤性的人角膜内皮细胞系,并从中筛选出了核型正常的单克隆细胞株,该项技术的首次成功解决了组织工程人工角膜内皮规模化生产缺乏足量种子细胞的国际性难题;此外,该项目建立起了商品化羊膜的处理和修饰技术,获得了与人角膜内皮细胞具有理想生物相容性的载体支架,成功解决了组织工程人工角膜内皮规模化生产缺乏大批量载体支架的国际性技术难题;另外,此项目在国际上还首次建立了以人角膜内皮单克隆细胞株为种子细胞、以修饰羊膜为载体支架体外生产人工角膜内皮的技术工艺,获得了结构与功能正常的人工角膜内皮,首次从根本上解决角膜移植供体材料匮乏而人工角膜内皮无法在体外规模化生产的国际性难题。

  值得一提的是,该项目所生产的人工角膜内皮可使角膜移植新西兰兔持续维持角膜透明277天以上、家猫93天以上,所移植猕猴的角膜也已经透明,在国际上首次成功解决了人工角膜内皮无法使移植动物角膜长期维持透明的国际性难题。

  角膜组织工程项目的巨大成功是我国独立自主的知识产权,为我国占据组织工程角膜生产及其临床应用的国际制高点创造了极其有利的条件。

  工程角膜产业化——创造效益 造福人类

  樊廷俊进一步指出,工程角膜内皮以及人工全角膜的产业化,可以用于角膜内皮盲、角膜盲以及各种角膜疾病的角膜移植和治疗,使广大角膜盲患者重见光明,不仅能创造出巨大的经济效益,还能产生出巨大的社会效益。

  我国现有角膜盲患者500余万人及白内障患者500余万人,而且还在逐年增加。作为目前角膜内皮盲、角膜盲临床移植治疗唯一替代物的工程角膜内皮及人工全角膜,用于各种角膜内皮盲、角膜盲的临床角膜移植和治疗已成为可能。这不仅可以使数量众多的上述各种角膜盲患者重见光明,解除这些患者长期蒙受失明的痛苦和煎熬,还能解除因患者失明而给家庭带来的精神和生活压力,更有利于解除由此而给国家和政府带来的巨大的经济负担,对于我国建设和谐社会具有极其重要的意义。

  在另一方面,角膜组织工程项目所生产的工程角膜内皮与工程全角膜,在帮助患者解除病痛困扰的同时,产生的经济效益也是相当可观的。就工程角膜内皮而言,以患者的移植覆盖率按70%估算,国内可创造直接经济效益400亿~600亿元、全世界3000亿~4000亿元;就工程全角膜而言,以患者的移植覆盖率按70%估算,其国内、国外产生的直接经济效益分别为400亿~500亿元、4000亿~6000亿元。

  工程角膜内皮产品、工程全角膜产品的产业化及其临床应用,不仅能产生出极大的社会效益,还能产生出巨大的经济效益,是一个既能使全世界角膜盲病人重见光明,又能促进经济和社会发展的光明工程项目。

(责任编辑:刘然)
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