人工器官、细胞和组织工程：再生医学中的进展、当前挑战、方法和协议

Artificial Organs, Cell and Tissue Engineering: Progress, Current Challenges, Methods, and Protocols in Regenerative Medicine

在器官捐赠和移植中，对器官的需求远远超过供应，导致移植机会有限。例如，在英国，从2010年到2019年，心脏移植的等待名单增加了约134%，同时可用器官的数量严重不足。在美国，2014年进行了大约17,107例肾移植手术，而等待名单上的人数在2016年达到了约121,678人。这种器官供需不平衡的现象在全球范围内普遍存在，并因器官排斥、免疫抑制药物的副作用以及移植器官寿命有限等常见问题而加剧。2023年的全球数据令人震惊，尽管世界卫生组织（WHO）第13个总体工作计划（2019-2023）旨在加强国际合作、利用关键资源和改进国际政策，以改善统计数据。

人体细胞、组织和器官的移植是一种挽救生命的方法，当其他替代方案不可行时尤为如此。造血干细胞移植用于治疗白血病患者，角膜移植可以治愈角膜失明，严重的充血性心力衰竭可以通过冠状动脉移植得到缓解。异种移植研究变得越来越流行，大量文献报道了新的技术，旨在克服动物与人类之间的兼容性问题，以弥补人类移植材料的短缺。

从这个角度来看，组织工程、再生细胞-组织技术、合成材料以及编程到生物相容芯片中的AI微纳米自动化，最终导致了基因设计器官或生物相容人工器官的出现，这些器官为细胞、组织和器官捐赠和移植的负担提供了突破性的替代方案。通常认为，协同方法在细胞和组织再生及工程以及生物相容人工器官的设计中具有前景，通过综合方法可以克服局限性并增强优势。现代细胞、组织和整个器官工程结合了基因重组和基于干细胞技术的再生方法。然而，人工器官可能更进一步，受益于纳米材料与可编程芯片的结合。

纳米复合材料作为药物递送系统具有巨大潜力，可以封装多种临床相关化合物（如植物代谢物），减少与免疫系统的非靶向相互作用并优化药物分布。开创性的研究正在创造生物相容的纳米粒子，这些粒子可以编程在特定的时间尺度内递送再生复合物和植物来源的化合物，并监测其在人体目标位置的浓度。纳米技术已广泛应用于预后和诊断，允许在精准医疗中实施微创临床方法（例如，磁场驱动超顺磁性金属纳米粒子在人体内的运动）。对于这些应用，优化制造这些生物相容复合材料的物理特性至关重要。实际上，虽然人工器官通常是静态结构，但将其与动态移动的成像探针、循环组织再生干细胞和其他生物相容的动态元素结合使用，对科学界来说非常有趣。

因此，本研究主题强调了新型材料的重要作用，这些材料允许创建自主驱动的微纳米机器人，并调节用于临床诊断、治疗和预后的微纳米自动机的外部场导向运动。石墨烯纳米复合材料（如石墨烯晶体管和电极）已推动了生物电子学的发展，构想出适应性植入-组织界面，并减少了由免疫毒性引起的副作用风险。本研究主题还强调了在支持生物医学、增强医疗机器人和自动化方面表现出巨大潜力的人工智能（AI）模型，这些模型被实现在纳米-微米生物相容芯片中，用于预测、分类、模仿和协调自主设备的活动。本研究主题还强调了再生医学中常用的干细胞技术、基因工程和植物代谢物。

总之，本论文集介绍了细胞和组织工程、组织再生以及生物相容人工器官设计方面的最先进突破性技术。该论文集涵盖了综述和技术论文，以及最先进的方法和协议。论文集分为四个子主题：（1）基因驱动的合成生物学策略和纳米生物技术在下一代人工器官和细胞-组织工程中的应用；（2）基于AI的预测、医疗机器人和自动化；（3）微创医疗诊断、治疗和预后的纳米自动机；（4）由植物代谢物推动的再生医学中的临床纳米技术。第一个子主题呈现了关于人工器官和细胞-组织工程的技术综述、方法和协议，这些技术受益于最先进的技术。第二个子主题侧重于AI预测和自动化，理想情况下用于医疗机器人和可编程芯片，适用于植入式医疗设备。第三个子主题展示了微纳米自动机的技术方面。第四个子主题集中在由纳米复合材料支持的组织再生，结合植物来源的化合物。

关键词：生物相容人工器官、合成生物学、再生医学、纳米生物技术、人工智能、器官捐赠和移植、生物启发的组织工程、干细胞技术、基因工程、植物代谢物、自动

重要说明：所有对本研究主题的贡献必须在其提交的部分和期刊的使命声明范围内。Frontiers 有权在同行评审的任何阶段将超出范围的手稿引导至更适合的部分或期刊。

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