軟骨組織工程的基本原理是從機(jī)體獲取少量活組織,將功能細(xì)胞從組織中分離出來,并在體外進(jìn)行培養(yǎng)、擴(kuò)增,然后與可降解吸收的支架材料按一定比例混合,植入病損部位,生物材料在體內(nèi)逐漸降解和吸收,植入細(xì)胞在體內(nèi)增殖和分泌ECM,最后形成所需的組織或器官,以達(dá)到創(chuàng)傷修復(fù)和功能重建的目的[1]。目前軟骨組織工程的研究內(nèi)容主要集中在以下幾個方面:①種子細(xì)胞;②支架材料;③細(xì)胞因子;④基因修飾。本文就軟骨組織工程的研究現(xiàn)狀及其進(jìn)展作一綜述。
1 軟骨種子細(xì)胞
理想的軟骨種子細(xì)胞應(yīng)具有以下特點:①取材方便,對機(jī)體創(chuàng)傷小;②植入受體后對機(jī)體免疫排斥反應(yīng)小;③在體外培養(yǎng)時有較強(qiáng)的增殖能力;④能穩(wěn)定保持軟骨細(xì)胞表型。
1.1軟骨種子細(xì)胞來源:目前,報道的軟骨組織工程種子細(xì)胞主要包括:自體軟骨細(xì)胞、異體軟骨細(xì)胞、基因修飾的永生化軟骨細(xì)胞及各種來源的干細(xì)胞。
1.1.1自體軟骨細(xì)胞:軟骨細(xì)胞是終末分化細(xì)胞,可以合成ECM,如Ⅱ型膠原和蛋白多糖聚合物等,是組織工程軟骨研究最早,也最常采用的軟骨種子細(xì)胞,通過膠原酶直接消化關(guān)節(jié)軟骨、骺板軟骨、肋軟骨和耳軟骨組織等獲得[2]。自體軟骨細(xì)胞來源的種子細(xì)胞不存在免疫排斥反應(yīng),有利于臨床應(yīng)用。但自體軟骨細(xì)胞體外培養(yǎng)傳代會發(fā)生“去分(dedifferentiation) 化”現(xiàn)象[3] ,喪失增殖和分泌基質(zhì)的能力,生長緩慢,不能達(dá)到組織工程軟骨的需要數(shù)量。且取自患者來源有限、對個體造成二次創(chuàng)傷、增加了手術(shù)費用和患者痛苦等,這嚴(yán)重限制了其作為種子細(xì)胞的應(yīng)用。
1.1.2 異種和同種異體軟骨細(xì)胞:異種軟骨細(xì)胞來源充足,短時間可大量獲取、增殖,但植入受體后免疫排斥反應(yīng)嚴(yán)重,故應(yīng)用較少。雖然該類種子細(xì)胞也存在免疫反應(yīng),但隨著移植時間推移其免疫反應(yīng)逐漸減弱,并且隨著免疫抑制劑研究的快速發(fā)展,較嚴(yán)重的免疫反應(yīng)已基本消除。然而,該軟骨細(xì)胞來源于其他健康個體,在獲取的同時又對其他個體造成創(chuàng)傷,增加二次手術(shù)費用,故也不是最理想的軟骨種子細(xì)胞來源。
1.1.3 干細(xì)胞在體外培養(yǎng)時可無限分裂增殖并保持其多分化潛能,且干細(xì)胞源性的軟骨細(xì)胞具有獲得穩(wěn)定表型的優(yōu)點[4]。目前體外證實具有軟骨分化潛能的干細(xì)胞包括:①骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞;②脂肪來源的間充質(zhì)干細(xì)胞;③胚胎干細(xì)胞;④其他來源的間充質(zhì)干細(xì)胞。
1.1.3.1 骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞:1976年,F(xiàn)riedenstein[5]將利用骨髓貼壁培養(yǎng)的方法分離的具有多向分化的細(xì)胞命名為骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)。骨髓可取自骨干、髂骨、肋骨,來源相對充足,獲取方法簡便易行。BMSCs在誘導(dǎo)因子作用下可向軟骨細(xì)胞分化,已被公認(rèn)有可能成為軟骨組織工程理想的種子細(xì)胞來源。目前,用于BMSCs 分離的方法主要有:貼壁篩選法、密度梯度離心法、細(xì)胞表面分子標(biāo)記分選法和細(xì)胞篩選法,以Ⅰ型膠原凝膠為載體材料復(fù)合骨髓MSCs修復(fù)全骺軟骨缺損,證實正常關(guān)節(jié)軟骨形成?;铙w實驗表明,誘導(dǎo)分化的軟骨細(xì)胞植入體內(nèi)可獲得軟骨缺損的修復(fù)[6]。
1.1.3.2 胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cells,ESCs):主要來源于受精卵發(fā)育成的早期胚胎,也可從體細(xì)胞核移植發(fā)育的胚胎獲得。是胚胎發(fā)育早期胚泡內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中未分化的細(xì)胞,具有以下特點:①具有受精卵的某些特性,可多向分化、無限增殖,可以分化成胎兒和成體內(nèi)各種類型的組織細(xì)胞;②可以在體外增殖并保持未分化二倍體的狀態(tài),具有全能性和形成嵌合體動物的能力;③可以在體外培養(yǎng)條件下建立穩(wěn)定的細(xì)胞系,長期培養(yǎng)并保持未分化二倍體的狀態(tài),具有全能性和形成嵌合體動物的能力;③可以在體外培養(yǎng)條件下建立穩(wěn)定的細(xì)胞系,長期培養(yǎng)并保持高度未分化狀態(tài)和發(fā)育潛能性。因此, 胚胎干細(xì)胞有望成為軟骨組織工程中新的種子細(xì)胞的理想來源。自上世紀(jì)80年代初,有學(xué)者[7]利用早期胚胎的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)或上胚層細(xì)胞建立ESCs系后,Kramer等研究證實ESCs在BMP-2及BMP-4作用下可分化為軟骨細(xì)胞。
1.1.3.3 脂肪來源的間充質(zhì)干細(xì)胞:2001年,Zuk等[8]從人吸脂術(shù)抽取的脂肪組織懸液中,第一次分離取得了多向分化干細(xì)胞, 命名為processed lipoaspirate (PLA)。Ogawa 等[9]將脂肪干細(xì)胞傳代2次后,加入軟骨誘導(dǎo)DMEM培養(yǎng)液,應(yīng)用微球培養(yǎng)的方法培養(yǎng)4周,可以檢測到aggrecan和coI-Ⅱ、coI-X等基因表達(dá),組織學(xué)染色可以發(fā)現(xiàn)阿麗辛藍(lán)(alcianblue)染色陽性細(xì)胞,這些都證明脂肪干細(xì)胞可以向軟骨細(xì)胞分化。因ADSCs 來源充足、獲取方便、對培養(yǎng)基的要求低、體外擴(kuò)增能力強(qiáng)等優(yōu)點,引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注,目前分離常用貼壁篩選法。
1.1.3.4 人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞:大量研究表明臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞具有多向分化潛能,它在體內(nèi)外可以分化為骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、肝細(xì)胞、心肌細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞以及神經(jīng)元細(xì)胞等。侯克東等[10]研究發(fā)現(xiàn)人臍帶MSCs具有向軟骨自然分化的特點。此外臍帶MSCs天然表達(dá)Sox-9和Col-2A1,其中Sox-9基因能夠結(jié)合軟骨細(xì)胞特征性的Ⅱ型膠原、aggrecan 蛋白增強(qiáng)子基因使其活化表達(dá),對于軟骨的分化、發(fā)育、調(diào)控起著重要作用,從分子水平揭示了人臍帶MSCs 具有與軟骨細(xì)胞相似的特性,表明它可能更適合于構(gòu)建工程軟骨組織。
1.1.3.5 其他來源的間充質(zhì)干細(xì)胞:其他來源的間充質(zhì)干細(xì)胞在軟骨組織工程方面的應(yīng)用也被諸多學(xué)者加以研究,其他來源的間充質(zhì)干細(xì)胞在軟骨組織工程方面的應(yīng)用也被諸多學(xué)者加以研究,如Nawata 等[11]用取自第19天的胎鼠大腿的肌肉源性基質(zhì)干細(xì)胞誘導(dǎo)成了成熟的軟骨;Fuchs等[12]以羊臍血干細(xì)胞構(gòu)建出了與天然軟骨具有相似組織學(xué)特性的三維軟骨。Waki-tani等[13]培養(yǎng)兔脛骨膜細(xì)胞,修復(fù)兔股骨髁全層軟骨缺損,24周時軟骨下骨完全形成,新生軟骨組織無骨化現(xiàn)象。目前,國內(nèi)尚有學(xué)者對外周血來源的干細(xì)胞在軟骨方面的分化加以研究。
1.1.3.6 BMSCs與軟骨細(xì)胞共培養(yǎng):基于BMSCs和軟骨細(xì)胞均不能完全滿足組織工程對種子細(xì)胞的要求,那么將兩種細(xì)胞優(yōu)勢互補(bǔ),進(jìn)行共培養(yǎng)來優(yōu)化和擴(kuò)大軟骨組織工程的種子細(xì)胞源就成為可供選擇的方式。周廣東等[14]將軟骨細(xì)胞與BMSCs混合培養(yǎng),能誘導(dǎo)BMSCs在體內(nèi)非軟骨形成部位向軟骨分化,并形成軟骨組織,整個過程無需另外添加細(xì)胞因子。因此,BMSCs和軟骨細(xì)胞共培養(yǎng)對優(yōu)化和擴(kuò)大種子細(xì)胞源可能是一種實用的策略。
2支架材料
生物支架材料不僅提供軟骨細(xì)胞生長依附的空間架構(gòu)、力學(xué)需求和幾何形狀, 更重要的是它作為細(xì)胞外基質(zhì)之一,可以協(xié)調(diào)生物活性因子和細(xì)胞之間的相互作用,增進(jìn)細(xì)胞的附著,潛在地影響細(xì)胞表面因子受體的表達(dá)和細(xì)胞的分化。
2.1 根據(jù)支架空間結(jié)構(gòu)的不同,可分為二維支架和三維支架。大量實驗證明,在二維支架平面培養(yǎng)的條件下,軟骨細(xì)胞易受細(xì)胞接觸抑制的影響,出現(xiàn)去分化,表現(xiàn)為成纖維細(xì)胞樣形態(tài)學(xué)改變,不能表達(dá)特定的軟骨蛋白,如Ⅱ型膠原、氨基葡聚糖等,而大量表達(dá)Ⅰ型膠原[15]。在三維支架培養(yǎng)的條件下,三維環(huán)境更近似體內(nèi)微環(huán)境,軟骨細(xì)胞可以再分化,表達(dá)Ⅱ型膠原,合成ECM。
2.2 按其應(yīng)用形態(tài)可分為:凝膠類、微球類、海綿類及人工高分子聚合物支架材料。
2.3 支架根據(jù)生物材料的差異,可分為天然生物材料、人工合成高分子材料和復(fù)合材料[16]。
2.3.1 天然生物材料:主要包括膠原、明膠、纖維蛋白、殼聚糖、瓊脂、糖胺多糖( 如:透明質(zhì)酸、硫酸軟骨素等) 、藻酸鹽、蠶絲蛋白[17]、幾丁質(zhì)、松質(zhì)骨骨基質(zhì)、脫細(xì)胞基質(zhì)等,天然生物支架材料來源于生物體本身,具有組織相容性較好,毒性較小,易降解,且降解產(chǎn)物易被人體吸收而不產(chǎn)生炎癥反應(yīng)等優(yōu)點,所以在組織工程中作為細(xì)胞培養(yǎng)的支架材料具有人工合成材料所不可比擬的優(yōu)勢。
2.3.2 人工合成高分子材料:人工合成高分子材料的微結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能以及材料的降解時間等都可以預(yù)先設(shè)計和調(diào)控,包括有機(jī)合成材料和無機(jī)合成材料。無機(jī)材料以羥基磷灰石、磷酸三鈣為代表,有機(jī)材料以聚乳酸、聚羥基乙酸、聚羥基乙酸/聚乳酸復(fù)合物(PLGA)、聚己內(nèi)酯、聚環(huán)氧乙烯、聚乙烯醇、聚氧化乙烯等高分子聚合物為主。人工合成材料不受來源的限制,容易加工成形,可根據(jù)需要調(diào)整物理、化學(xué)、生物力學(xué)和降解性能。生長因子和其他一些藥物刺激因子可以涂于支架上面以刺激細(xì)胞進(jìn)行增殖和分化。但是在運用中也發(fā)現(xiàn)了不少缺點,如其親水性不夠,對細(xì)胞的粘附性較弱,降解產(chǎn)物偏酸性可引起炎癥反應(yīng)等,并且有一定的免疫原性[18]。
2.3.3 復(fù)合材料:復(fù)合材料是目前研究的熱點, 即將兩種或兩種以上具有互補(bǔ)特征的生物相容性可降解材料按一定比例和方式組合,可設(shè)計出結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化的三維材料,以彌補(bǔ)單用人工合成或天然生物材料的缺陷。復(fù)合材料的制備不僅包括同一類生物材料的復(fù)合,還包括不同類別生物材料之間的交叉復(fù)合。目前主要有:天然生物材料之間的復(fù)合、人工合成高分子材料之間的復(fù)合、天然生物材料與人工合成高分子材料之間的交叉復(fù)合。
2.4 根據(jù)支架制作的特征,可將支架分為預(yù)制支架和可注射型支架兩類??勺⑸湫椭Ъ芫哂形?chuàng)的優(yōu)點,并能為細(xì)胞的增殖與分化提供更為接近于天然細(xì)胞外基質(zhì)的化學(xué)和物理環(huán)境。目前可注射型支架是以水凝膠為基礎(chǔ),常用的有纖維蛋白凝膠、藻酸鈣凝膠、透明質(zhì)酸、聚氧化乙烯酸、二甲基丙烯、聚丙烯延胡索酸復(fù)合乙烯凝膠、聚氧化丙烯等。
2.5 納米材料:納米材料由于結(jié)構(gòu)上的特殊性,具有一些獨特效應(yīng),如表面效應(yīng)和體積效應(yīng)等。它主要是支架材料制作技術(shù)上的創(chuàng)新,而非新出現(xiàn)的物質(zhì)。納米尺寸的粗糙表面能夠適度地調(diào)控細(xì)胞粘附、增殖、分化和凋亡。Hong等[19]研究提示羥基磷灰石(HAP)納米微粒的加入有助于軟骨細(xì)胞在支架上的粘附和擴(kuò)增,也可提高材料的生物相容性。
3細(xì)胞因子
對軟骨種子細(xì)胞有明顯調(diào)節(jié)作用的細(xì)胞因子主要有轉(zhuǎn)化生長因子-β( transforming growth factorβ, TGF-β)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白( bone morphogenetic p roctein, BMP)、胰島素樣生長因子( insulin-like growth factor, IGF)、成纖維細(xì)胞生成因子( fibroblast growth factor, FGF) 、腫瘤壞死因子( tumour necrosis factor, TNF)、甲狀旁腺激素相關(guān)蛋白( trFHrP)、肝細(xì)胞生長因子( hepatocyte growth factor, HGF)以及近幾年新發(fā)現(xiàn)的軟骨調(diào)節(jié)素( chondromodulin)等[20]。
3.1 轉(zhuǎn)化生長因子:轉(zhuǎn)化生長因子β(Transforming growth factor-β,TGF-β)是一種細(xì)胞生長和細(xì)胞外基質(zhì)合成的多功能調(diào)節(jié)器,它可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖,增加蛋白多糖和Ⅱ型膠原合成??赡芡ㄟ^增強(qiáng)軟骨轉(zhuǎn)錄因子Sox9 的表達(dá),促進(jìn)細(xì)胞聚集,達(dá)到軟骨分化的必需條件。TGF-β包括TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3及TGF-β4 4種形式[21]。TGF-β1 是誘導(dǎo)BMSCs向軟骨細(xì)胞分化的主要細(xì)胞因子,能刺激軟骨細(xì)胞分泌蛋白聚糖和Ⅱ型膠原,并保持軟骨細(xì)胞表型穩(wěn)定。TGF-β2 的生物學(xué)功能與TGF-β1相似, 對軟骨和成骨分化具有調(diào)節(jié)作用。TGF-β2 通過調(diào)節(jié)甲狀旁腺激素相關(guān)蛋白的分泌,促進(jìn)軟骨細(xì)胞分化成熟[22]。TGF-β3 是T促軟骨形成的重要細(xì)胞因子,它通過增強(qiáng)Sox9 表達(dá),促進(jìn)蛋白聚糖和Ⅱ型膠原合成[23]。Goessler 等[24] 報道TGF-β4 基因在軟骨去分化過程中表達(dá),提示其在軟骨去分化過程中發(fā)揮作用。
3.2 骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic p roctein,BMP):骨形態(tài)發(fā)生蛋白家族成員有40多個,其中BMP-2、BMP-3、BMP-7與軟骨組織的形成和修復(fù)密切相關(guān)。BMP可以刺激MSCs向軟骨細(xì)胞分化,并能較長時間地維持軟骨細(xì)胞表型[25]。根據(jù)序列同源性分析,可分為幾個亞群,其中屬于BMP-2/ BMP-4 亞群和成骨蛋白1(osteogenic protein 1,OP-1) 亞群的BMP,大多數(shù)能在體內(nèi)誘導(dǎo)骨及軟骨形成。
3.3 胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor,IGF):IGF-1在軟骨發(fā)育過程中可促進(jìn)軟骨基質(zhì)合成,刺激增殖,調(diào)節(jié)細(xì)胞程序性死亡,誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞表面標(biāo)記物的表達(dá)[26-27]。Longobardi 等[27] 發(fā)現(xiàn)IGF-1 刺激軟骨形成是獨立于TGF-β信號系統(tǒng),本身具有強(qiáng)大誘導(dǎo)軟骨分化的潛力,與TGF-β1 合用有協(xié)同效應(yīng)。
3.4 血小板源性生長因子(PDGF):血小板源性生長因子最初被認(rèn)為是纖維細(xì)胞生長的促進(jìn)因子,血漿中大量存在, 但細(xì)胞漿內(nèi)微量存在。現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)還具有促進(jìn)結(jié)締組織、膠質(zhì)與平滑肌細(xì)胞的增殖等功能[28]。
3.5 成纖維細(xì)胞生成因子:由多種不同結(jié)構(gòu)的相關(guān)多肽組成,堿性成纖維細(xì)胞生長因子( bFGF)是有代表性的細(xì)胞因子,單獨應(yīng)用bFGF作用于體外培養(yǎng)的單層軟骨細(xì)胞,可強(qiáng)烈刺激軟骨細(xì)胞增殖,并維持細(xì)胞表型[29]。
3.6 軟骨調(diào)節(jié)素(ChM):軟骨調(diào)節(jié)素(chondromodulin)是一組軟骨特異性生長因子,分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3種。Hiraki等[30]證實并克隆了25KD的糖蛋白chondromodulin-1,并報道了它的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)活性。ChM21在體內(nèi)和體外均能夠刺激軟骨細(xì)胞培養(yǎng)體系中軟骨細(xì)胞的生長及集落形成,并抑制新生組織血管形成的作用。
4基因修飾
多種細(xì)胞因子有促進(jìn)軟骨修復(fù)的作用。通過基因重組技術(shù),將細(xì)胞因子基因?qū)胲浌羌?xì)胞或相關(guān)細(xì)胞,使之在病損部位分泌生長因子并維持所需的濃度和時間,有效促進(jìn)軟骨的修復(fù),這就是基因修飾的組織工程技術(shù)(gene modified technology)。與外源性給予生物因子相比,內(nèi)源性誘導(dǎo)的生物活性因子表達(dá)更加穩(wěn)定、持久及可靠。
4.1軟骨組織工程中轉(zhuǎn)染的目的基因主要有:TGF-β因子、胰島素樣生長因子、成纖維細(xì)胞生長因子和骨形態(tài)發(fā)生蛋白因子、Sox9、bFGF、TNF受體、IL-10、IL-4、IL-3 等[31],對種子細(xì)胞增殖、分化具有重要影響的生物活性因子基因。
4.2 基因轉(zhuǎn)染載體:載體是基因修飾的關(guān)鍵,目前基因轉(zhuǎn)染載體分為病毒載體和非病毒載體兩大類。病毒載體包括逆轉(zhuǎn)錄病毒、腺病毒、桿狀病毒等,非病毒載體包括脂質(zhì)體、FuGene6。
4.3 基因治療的方法分為:直接轉(zhuǎn)移技術(shù)、間接轉(zhuǎn)移技術(shù)。直接轉(zhuǎn)移技術(shù)的常用手段有組織內(nèi)直接注射質(zhì)粒DNA、重組病毒載體等,主要缺點是基因表達(dá)期相對短暫,轉(zhuǎn)基因效率低。間接轉(zhuǎn)移技術(shù)是從患者體內(nèi)收集靶細(xì)胞,體外培養(yǎng),經(jīng)過體外基因轉(zhuǎn)染后,再重新用于患者體內(nèi),可以避免病毒載體的危害,但操作較復(fù)雜,需具備良好的組織細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)和再植入技術(shù)[32]。
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[收稿日期]2010-02-23 [修回日期]2010-04-07
編輯/李陽利