系统科学与软骨组织重建

20世纪60年代，系统科学取得了许多重要的成果，贝塔朗菲发表了《一般系统论——基础、发展、应用》的著作[1]。系统论将世界视为系统与系统的集合，认为世界的复杂性在于系统的复杂性，研究世界的任何部分，就是研究相应的系统与环境的关系。在研究过程中注意掌握对象的整体性、关联性、等级结构性、动态、平衡性及时序性等基本特征。系统论的任务，不只是认识系统的特点和规律，反映系统的层次、结构、演化，更主要的是调整系统结构、协调各要素关系，使系统达到优化的目的。

1　系统生物学与组织工程

进入21世纪，随着人类基因组计划的完成，基因组学、蛋白组学、代谢组学等学科相继创立并迅速发展，系统生物学逐渐确立。系统生物学是研究处理生命系统在各层次（从分子、细胞、组织、有机体到生态系统）的复杂性和行为的学科，不同于以往仅关心个别的基因和蛋白质的分子生物学，更侧重研究细胞信号传导和基因调控网路、生物系统组成之间相互关系的结构和系统功能的涌现；系统医学将生命系统的内在机理用于临床应用，基于生物功能作为系统整体的性质区别于独立要素的相互作用[2]。

系统生物学研究的最终目的是解析生命过程的复杂性,利用整体性、系统性研究手段来发现和揭示生命活动的本质规律。系统生物学的发展将为组织工程与再生医学领域提供了深入的理论基础，并带来新的研究方法，组织再生模型以及生物材料在分子与细胞水平的作用机理将进一步明确，有望实现从分子水平到宏观尺度的生物仿生，从而推动再生医学领域的突破。

2　软骨组织工程重建的系统科学视角

生物体是一个充满复杂性的系统，并且包含很多复杂的子系统。工程化的组织包含许多变量、变量之间在不同层次的交互影响、以及突变的涌现性质，如材料因素（材料成分，浓度，材料状态（水凝胶、多空海绵、网状物等）、微结构、力学性质、溶胀性能、降解性能、电性，培养条件（pH、信号分子、氧分压、细胞密度等），以及与细胞活动或行为在多尺度的相互作用，其中每一因素都可能影响最终工程化软骨组织的结构和生理功能，因此充满复杂性。生命系统远非单个子系统的简单集合，如从传统还原论的角度，以单一变量或有限的几个变量去探索和解释，将不可避免导致片面且通常矛盾的结果。

在组成要素中，包括：支架材料的成分和浓度、改性度、交联方式和交联度，种子细胞的类型、细胞密度，生长因子以及基因等信号分子及载体的选择和浓度。

在结构要素中，包括：材料状态、材料的理化性能，细胞接种方式，信号分子的释放机制或基因转染效率以及载体的理化性质。

在环境要素中，包括体内动物模型环境和体外的培养环境：基础营养环境（pH、氧分压、抗生素等），生长因子及浓度，化学因子及浓度，力学刺激（仅支架力学性能、外加动态或静态力、体内不同部位力学环境），体内复杂的生理环境，以及体内的免疫环境。

功能要素是目标组织的性能，上述组成要素、结构要素和环境要素都会对各种功能性质产生特定的影响。包括：生物相容性（细胞增殖、协同或拮抗作用），分子水平的细胞表型（基因表达、蛋白表达、细胞外基质分泌），细胞层次的行为（特定的组织聚集形态），以及组织器官层次的生理功能（如承重能力、摩擦系数等）。

演化要素中：1-28天为诱导期，各种因素对细胞诱导作用，细胞表型和行为受到来自组成要素、结构要素以及环境要素中各种因素的综合作用，细胞经历增殖和分化适应内在和外在的环境；1-3个月期间内，处于组织形成时期，此阶段细胞群体分泌积累细胞外基质，一些刺激因素消退、材料逐渐降解，最终形成初步新生组织；长期来看，组织和环境进一步相互作用，达到更大周期相对稳定的平衡状态，在软骨缺损修复中，此阶段主要存在纤维化、病变或钙化等问题。成功诱导组织再生，首先要在诱导期内完成诱导干细胞定向分化，还需要能在长期内维持细胞表型稳定，从而形成稳定的目标组织。

3　结语

文章来源：《系统科学与数学》 网址: http://www.xtkxysxzz.cn/qikandaodu/2021/0312/403.html