組織工程骨血管化策略的研究進(jìn)展

吳驍偉 王 黔 綜 述 曹誼林 肖 苒 審校

·綜述·

組織工程骨血管化策略的研究進(jìn)展

吳驍偉 王 黔 綜 述 曹誼林 肖 苒 審校

骨組織工程的發(fā)展為大段骨缺損的修復(fù)提供了新的途徑，眾多的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究和逐漸興起的臨床應(yīng)用研究已充分顯示出其巨大的應(yīng)用前景。然而，組織工程骨細(xì)胞支架復(fù)合物在植入體內(nèi)后，尤其植入血供不佳的受區(qū)時(shí)，因不能及時(shí)地與機(jī)體建立起血供連接，使得成骨效果不穩(wěn)定。近年來(lái)的研究表明，組織工程骨的血管化已成為構(gòu)建大段組織工程骨的一個(gè)關(guān)鍵因素。我們對(duì)組織工程骨血管化策略的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

組織工程骨骨缺損血管化

組織工程學(xué)（Tissue Engineering）是綜合應(yīng)用工程學(xué)和生命科學(xué)的基本原理、基本理論、基本技術(shù)和基本方法，在體外預(yù)先構(gòu)建一個(gè)有生物活性的種植體，然后植入體內(nèi)，修復(fù)組織缺損，替代組織、器官的一部分或全部功能，或作為一種體外裝置，暫時(shí)替代器官部分功能，達(dá)到提高生活、生存質(zhì)量，延長(zhǎng)生命活動(dòng)的目的[1]。在骨組織工程領(lǐng)域，Goshima等[2]首先在裸鼠體內(nèi)植入了多孔生物陶瓷-細(xì)胞復(fù)合物，結(jié)果提示有新生骨形成。Bruder等[3]應(yīng)用間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）復(fù)合羥基磷灰石磷酸三鈣（HA-TCP）支架成功修復(fù)犬股骨2.1 cm長(zhǎng)的節(jié)段性缺損。此后，Petite等[4]使用天然珊瑚支架復(fù)合間充質(zhì)干細(xì)胞構(gòu)建組織工程骨，并成功修復(fù)了羊2.5 cm長(zhǎng)的跖骨缺損。在臨床應(yīng)用方面，Quarto等[5]將hBMSCs接種于HA上，成功修復(fù)患者的脛骨、肱骨及尺骨4～7 cm長(zhǎng)的節(jié)段性骨缺損。隨著細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的改進(jìn)和生物反應(yīng)器的應(yīng)用，組織工程骨治療大段骨缺損已顯示出廣闊的應(yīng)用前景，但同時(shí)也面臨著一些亟待解決的問(wèn)題。

1 血管化構(gòu)建的必要性

機(jī)體的絕大多數(shù)組織細(xì)胞由血液供應(yīng)氧氣和養(yǎng)料，由于受組織中氧氣擴(kuò)散作用的限制，毛細(xì)血管的氧氣供應(yīng)范圍局限于鄰近100～200 μm的區(qū)域[6]。對(duì)于細(xì)胞-支架復(fù)合物而言，體外雖然可以通過(guò)應(yīng)用灌注反應(yīng)器等方法來(lái)加強(qiáng)氧氣和養(yǎng)料的供應(yīng)，一旦植入體內(nèi)，尤其植入受區(qū)血供不佳的區(qū)域，支架內(nèi)的種子細(xì)胞早期只能通過(guò)臨近毛細(xì)血管的擴(kuò)散作用來(lái)獲得氧氣和養(yǎng)料，嚴(yán)重影響了細(xì)胞-支架復(fù)合物的活性，使得成骨效果不穩(wěn)定。加之骨組織代謝非常旺盛[7-8]，組織工程骨在體內(nèi)對(duì)周圍血液供應(yīng)的要求更高[5]，為了保證大尺寸的組織工程骨植入體內(nèi)后能夠有效成骨，有必要在其構(gòu)建過(guò)程中采取血管化策略。

2 常用的組織工程骨血管化構(gòu)建方法

2.1 優(yōu)化支架材料的設(shè)計(jì)

材料的孔徑、孔隙率、連通率和孔內(nèi)連接徑，是評(píng)價(jià)組織工程骨支架材料的重要參數(shù)，特定的材料有著對(duì)于組織工程骨成骨和血管化較為理想的孔徑、孔隙率、連通率和孔內(nèi)連接徑。首先，孔徑的尺寸對(duì)血管的長(zhǎng)入是一個(gè)至關(guān)重要的因素。有研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于構(gòu)建組織工程骨較為理想的，能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞的黏附、遷移、增殖、分化和血管化的材料孔徑是300～400 μm，孔徑在90～120 μm的HA材料先誘導(dǎo)出軟骨進(jìn)而骨化成骨，而孔徑大于350 μm的HA則可以直接誘導(dǎo)成骨[9]。Druecke等[10]的研究表明，孔徑大于250 μm的支架材料中血管的長(zhǎng)入速度明顯加快。其次，孔隙率是材料結(jié)構(gòu)的另一項(xiàng)重要參數(shù)?？紫堵手覆牧蟽?nèi)部孔隙體積占其總體積的百分率，高孔隙率的材料有助于營(yíng)養(yǎng)成分的擴(kuò)散和代謝廢物的排出及血管化，對(duì)于高代謝率的器官如肝臟、骨組織等的構(gòu)建尤為重要。但是，較高的孔隙率會(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)強(qiáng)度降低[11]。此外，孔隙之間的連通率對(duì)于血管的長(zhǎng)入同樣重要，即便是孔隙率很高的支架材料，細(xì)胞的遷移、血管的長(zhǎng)入在連通率低的支架材料內(nèi)仍難以進(jìn)行[12-13]。研究表明，只有孔內(nèi)連接徑大于50 μm才能發(fā)生細(xì)胞的明顯遷移和組織的長(zhǎng)入[14]。為了提高成骨和成血管的效果，可以在材料的制備過(guò)程中優(yōu)化孔徑的大小，改善孔隙率，增加連通率及內(nèi)連接徑。Gafni等[15]將內(nèi)皮細(xì)胞接種于高降解絲狀支架材料，形成了單層內(nèi)皮細(xì)胞包裹的絲，植入體內(nèi)后絲狀材料迅速降解，形成管狀的內(nèi)皮細(xì)胞層，并且于2周后發(fā)現(xiàn)管狀的內(nèi)皮細(xì)胞層形成了血管。

2.2 使用生長(zhǎng)因子

眾多的研究表明，諸如VEGF、β-FGF等促血管生成的生長(zhǎng)因子能夠促進(jìn)植入體內(nèi)的組織工程復(fù)合物的血管化[16]，因?yàn)樵擃惿L(zhǎng)因子能夠直接促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞的動(dòng)員游走，加速新生血管的生成；而另一類促血管生成的生長(zhǎng)因子則主要在新生血管成熟穩(wěn)定的過(guò)程中起重要作用，包括血小板衍生生長(zhǎng)因子（PDGF）、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β（TGF-β）和血管生成素1（Ang-1）等。PDGF能起到動(dòng)員血管平滑肌細(xì)胞和周皮細(xì)胞的作用；TGF-β可以促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的表達(dá)，參與內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞之間的信號(hào)傳導(dǎo)[17-18]；血管生成素1（Ang-1）則通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞和周圍間質(zhì)、基質(zhì)的相互作用，在血管成熟和穩(wěn)定方面起重要作用。在血管化組織工程骨的構(gòu)建過(guò)程中，新生血管的成熟穩(wěn)定并正常發(fā)揮組織營(yíng)養(yǎng)功能，需要上述兩類生長(zhǎng)因子的同時(shí)作用。研究表明，在組織工程支架中同時(shí)使用VEGF和PDGF可以生成大量的成熟血管[19]。

不同于以上兩類細(xì)胞生長(zhǎng)因子，索尼克蛋白（SHH）[20]、缺氧誘導(dǎo)因子1（HIF-1）[21]及骨形態(tài)發(fā)生蛋白BMP-2、BMP-4、BMP-6等[22]生長(zhǎng)因子能夠作用于血管周圍的細(xì)胞，使其分泌促血管化的生長(zhǎng)因子。這種間接的促分泌作用具有以下優(yōu)勢(shì)：首先，在這類間接生長(zhǎng)因子的作用下，細(xì)胞分泌一系列的血管源性生長(zhǎng)因子，這些生長(zhǎng)因子可以直接參與血管的形成和成熟。如間充質(zhì)細(xì)胞能在SHH的作用下分泌包括VEGF、Ang-1和Ang-2在內(nèi)的一些生長(zhǎng)因子[23]；其次，在這種間接因子的作用下，血管源性的生長(zhǎng)因子可以在組織中形成濃度梯度，這對(duì)于毛細(xì)血管的形態(tài)發(fā)生具有重要作用[24]；最后，這類間接因子還可以通過(guò)對(duì)細(xì)胞分泌的調(diào)節(jié)，間接地調(diào)節(jié)其他因子的分泌，使得在血管生成的各個(gè)階段，參與調(diào)節(jié)的血管源性生長(zhǎng)因子的量都是與細(xì)胞的生理需求量相適應(yīng)的，這對(duì)于血管的發(fā)生、成熟和穩(wěn)定意義重大。

基因轉(zhuǎn)染技術(shù)則是將表達(dá)特定血管源性生長(zhǎng)因子的基因轉(zhuǎn)染到種子細(xì)胞中，使成功轉(zhuǎn)染后的細(xì)胞長(zhǎng)期穩(wěn)定地表達(dá)相應(yīng)的血管源性生長(zhǎng)因子，從而促進(jìn)組織工程骨的血管化。常用的轉(zhuǎn)染方法可分為病毒載體轉(zhuǎn)染法和非病毒載體轉(zhuǎn)染法，由于非病毒載體轉(zhuǎn)染法較病毒載體轉(zhuǎn)染容易控制，安全性高，因此大多采用非病毒載體轉(zhuǎn)染法。Geiger等[23]直接將VEGF包被到膠原顆粒中，種植到兔橈骨1.5 cm缺損處，轉(zhuǎn)染6周后VEGF組較單純膠原顆粒組血管數(shù)量和內(nèi)皮細(xì)胞數(shù)量明顯增多，骨缺損修復(fù)效果更明顯。但是，也有研究顯示，從遠(yuǎn)期觀察來(lái)看，使用和不使用VEGF和β-FGF對(duì)于體內(nèi)組織工程復(fù)合物的最終成血管效果沒(méi)有明顯的差異，只不過(guò)使用VEGF和β-FGF能夠加速早期新生血管的生成，縮短血管發(fā)生到成熟的過(guò)程而已[25]。

2.3 血管預(yù)置技術(shù)

近年來(lái)，血管預(yù)置技術(shù)已被逐漸應(yīng)用于構(gòu)建血管化的組織工程骨。血管預(yù)置技術(shù)（Prevascular）是在組織工程骨復(fù)合物植入體內(nèi)的過(guò)程中，借助于帶血供的筋膜、血管束或者血管環(huán)等，預(yù)先構(gòu)建好機(jī)體和組織工程骨之間的血供連接，以期盡快建立起受區(qū)與組織工程復(fù)合物的血液供應(yīng)，促使組織工程復(fù)合物最大程度的成活并發(fā)揮修復(fù)作用。血管預(yù)置技術(shù)根據(jù)新生血管的長(zhǎng)入方式和供養(yǎng)方式，主要有以下3種。

2.3.1 有血液供應(yīng)的筋膜、骨膜或者肌肉包裹預(yù)制技術(shù)

此時(shí)血管的長(zhǎng)入及營(yíng)養(yǎng)方式主要由外周向中心進(jìn)行。Li等[26]研究發(fā)現(xiàn)，使用背闊肌包裹的細(xì)胞支架復(fù)合物的成骨和血管化的效果明顯高于同等條件下的未包裹組。陳濱等[27]使用筋膜瓣包裹成骨誘導(dǎo)分化后BMSCs和珊瑚羥基磷灰石復(fù)合物，成功修復(fù)山羊脛骨2 cm缺損，證明使用筋膜瓣包裹促進(jìn)了組織工程骨的成骨能力。Zhang等[28]用骨膜包裹的BMSCs－PLGA復(fù)合物修復(fù)兔恥骨缺損，發(fā)現(xiàn)使用骨膜包裹明顯增加了組織工程骨的血管生成和成骨效果。

2.3.2 動(dòng)靜脈血管環(huán)路預(yù)置技術(shù)（AV Loop）

此時(shí)組織工程骨內(nèi)血管的長(zhǎng)入和營(yíng)養(yǎng)方式則是由中心向外周進(jìn)行的。這種構(gòu)建方法是基于骨組織的血供主要來(lái)源于骨髓腔內(nèi)軸向血管這一理論，生理情況下至少2/3或3/4的內(nèi)側(cè)皮質(zhì)骨的血運(yùn)由位于中央的骨髓營(yíng)養(yǎng)動(dòng)脈的分支供給，皮質(zhì)骨血流方向是離心性的（由骨髓至骨膜）。受動(dòng)靜脈環(huán)路構(gòu)建出大鼠帶軸向血管皮瓣模型[29]的啟發(fā)，Kneser等[30]首次將動(dòng)靜脈環(huán)路技術(shù)應(yīng)用于組織工程骨的血管化策略，該技術(shù)能夠在小動(dòng)物（如大鼠）體內(nèi)的組織工程骨中芽生出大量的新生血管[25]。Beier等[31]則將山羊后肢隱動(dòng)靜脈進(jìn)行顯微外科吻合，在組織工程骨中預(yù)置AV loop軸向血供，成功在大動(dòng)物體內(nèi)增加了組織工程骨的血管生成。

2.3.3 血管束預(yù)置技術(shù)（Vascular bundle）

血管束預(yù)置技術(shù)是介于外周和軸向血供間的血管預(yù)置技術(shù)。該技術(shù)使用遠(yuǎn)端結(jié)扎的血管束穿過(guò)組織工程骨表面的凹槽，其血管長(zhǎng)入和營(yíng)養(yǎng)方式介于上述兩種預(yù)置技術(shù)之間[32]。Cai等[33]采用比格犬BMSC接種于HA支架，借助預(yù)置血管束的血管化方法成功修復(fù)比格犬腓骨缺損，相比對(duì)照組，預(yù)置血管束的組織工程骨在相同時(shí)間點(diǎn)上有著更好的成骨效果。Wang等[34]將BMSC接種于TCP支架，并預(yù)置兔的隱動(dòng)靜脈束，成功構(gòu)建出血管化組織工程骨，并修復(fù)兔股骨1.5 cm骨缺損。

雖然上述3種血管預(yù)制技術(shù)的血管化效果比較尚未見(jiàn)報(bào)道，但根據(jù)Tanaka等[35]在大鼠腹股溝區(qū)使用人工真皮分別包裹動(dòng)靜脈環(huán)路、血管流過(guò)血管束和遠(yuǎn)端結(jié)扎血管束來(lái)比較皮瓣內(nèi)部新生組織和新生血管的研究結(jié)果，雖然包裹動(dòng)靜脈環(huán)路的人工真皮內(nèi)部的新生組織量最多，但是包裹遠(yuǎn)端結(jié)扎血管束組有更多的血管生成，提示使用遠(yuǎn)端結(jié)扎的血管束來(lái)構(gòu)建血管化的組織工程復(fù)合物可能是一個(gè)較為理想的方法。

2.4 聯(lián)合使用內(nèi)皮祖細(xì)胞

自Asahara等[35]首次提出內(nèi)皮祖細(xì)胞（Endothelial progenitor cell，EPC）的概念以來(lái)，關(guān)于EPC的研究日益增多。EPC是血管內(nèi)皮細(xì)胞（Endoththelial Cell，EC）的前體細(xì)胞，又稱為血管母細(xì)胞（Angioblast）。研究表明，EPC不僅僅參與胚胎血管生成，而且在出生后新生血管的形成過(guò)程中也具有重要作用。

內(nèi)皮祖細(xì)胞的來(lái)源主要有臍靜脈、骨髓血和外周血等。人EPCs主要存在于骨髓中，外周血中含量很少，外周血EPCs只占外周血細(xì)胞的0.01%。外周血EPCs主要由骨髓動(dòng)員而來(lái)，并趨化至缺血部位。由于臍靜脈來(lái)源的內(nèi)皮祖細(xì)胞的臨床應(yīng)用面臨倫理及異體移植的免疫排斥反應(yīng)等問(wèn)題，所以目前最具有研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景的內(nèi)皮祖細(xì)胞應(yīng)該是骨髓血來(lái)源的內(nèi)皮祖細(xì)胞。

研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)皮祖細(xì)胞可以在體外培養(yǎng)并形成管狀結(jié)構(gòu)，這種管狀的結(jié)構(gòu)植入體內(nèi)后能夠與機(jī)體形成血管吻合，最終形成功能性的新生血管[37]。近年來(lái)，利用血管內(nèi)皮祖細(xì)胞和種子細(xì)胞聯(lián)合培養(yǎng)，以促進(jìn)組織工程骨血管化的方法研究逐漸增多，并且取得了一定的成果。Yu等[38]將骨髓來(lái)源的內(nèi)皮祖細(xì)胞與成骨細(xì)胞聯(lián)合培養(yǎng)，接種于多孔聚己酸內(nèi)酯羥基磷灰石材料上，修復(fù)大鼠股骨0.8 cm缺損，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合培養(yǎng)組較單純成骨細(xì)胞組形成了更多的毛細(xì)血管和骨組織。Koob等[39]將hBMSC聯(lián)合人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（hUVEs）接種到經(jīng)過(guò)脫鈣處理的牛松質(zhì)骨支架上，用來(lái)修復(fù)裸鼠顱骨缺損，結(jié)果顯示單純支架材料組和僅接種hBMSC組幾乎沒(méi)有形成新生血管，而hUVEs聯(lián)合hBMSCs接種組和單純hUVEs組都有一定量的新生血管生成，但是前者形成的血管明顯多于后者，提示間充質(zhì)細(xì)胞聯(lián)合內(nèi)皮祖細(xì)胞作為種子細(xì)胞確實(shí)能夠提高組織工程骨的血管化。

使用自體的內(nèi)皮祖細(xì)胞來(lái)促進(jìn)組織工程骨的血管化，避免了排斥反應(yīng)，操作較血管預(yù)置簡(jiǎn)單，而且形成與機(jī)體吻合的血管所用時(shí)間較短。研究發(fā)現(xiàn)，采用脂肪組織來(lái)源的內(nèi)皮祖細(xì)胞聯(lián)合MSCs植入裸鼠體內(nèi)7 d后可以觀察到功能性的血管連接[40]。隨著內(nèi)皮祖細(xì)胞對(duì)組織工程血管化及耐缺血等方面重要作用的逐漸揭示，有關(guān)內(nèi)皮祖細(xì)胞和其他干細(xì)胞之間的信號(hào)傳遞及相互作用的研究也逐漸增多。

3 問(wèn)題與展望

組織工程骨血管化的主要目標(biāo)是使用安全可靠的、簡(jiǎn)單易行的方法，快速、充分地形成組織工程骨的功能性血供，最大程度地促進(jìn)組織工程骨在體內(nèi)的成活、礦化并成功修復(fù)骨缺損，使其長(zhǎng)期存活而不被吸收。通過(guò)優(yōu)化支架材料，改善支架材料的各項(xiàng)制備參數(shù)及工藝，可以制作出適宜血管長(zhǎng)入的具有特定結(jié)構(gòu)的支架，但優(yōu)化后的支架植入體內(nèi)后仍然需要機(jī)體的血管長(zhǎng)入，所以僅從優(yōu)化支架材料著手來(lái)增加組織工程骨的血管化是有其局限性的；促血管生長(zhǎng)因子的促血管效果肯定，但是該方法在生長(zhǎng)因子劑量控制和緩釋技術(shù)方面還存在一定問(wèn)題，局部的劑量不足或釋放較快都不能夠達(dá)到很好的效果，劑量過(guò)大時(shí)還容易出現(xiàn)血供壓力較低、血管滲漏等情況[41]。基因轉(zhuǎn)染技術(shù)解決了生長(zhǎng)因子的長(zhǎng)期釋放問(wèn)題，但是經(jīng)過(guò)基因轉(zhuǎn)染后的種子細(xì)胞的干細(xì)胞特性和細(xì)胞功能有可能受到影響，同時(shí)還要面臨致癌和病毒感染的風(fēng)險(xiǎn)；血管預(yù)置技術(shù)通過(guò)外科手段直接建立起與機(jī)體的血供聯(lián)系，效果可靠，但需承受手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)和創(chuàng)傷；聯(lián)合骨髓來(lái)源的內(nèi)皮祖細(xì)胞與種子細(xì)胞構(gòu)建組織工程骨能夠促進(jìn)機(jī)體血管的長(zhǎng)入，避免了異體臍靜脈來(lái)源內(nèi)皮祖細(xì)胞的免疫排斥反應(yīng)，操作較簡(jiǎn)單，而且形成與機(jī)體吻合的血管所用時(shí)間較短，是一種很有前景的組織工程骨血管化方法，但是有關(guān)內(nèi)皮祖細(xì)胞和種子細(xì)胞之間相互作用的機(jī)制研究仍然較少，缺乏相關(guān)的理論基礎(chǔ)。未來(lái)的組織工程骨血管化策略將趨向上述多種方法的聯(lián)合應(yīng)用，集多種方法的優(yōu)勢(shì)于一體，增加成骨的質(zhì)量和數(shù)量，從而有助于促進(jìn)大段骨缺損的修復(fù)。

[1]Langer R,Vacanti JP.Tissue engineering[J].Science,1993,260 (5110):920-926.

[2]Goshima J,Goldberg VM,Caplan AI.The osteogenic potential of culture-expanded rat marrow mesenchymal cells assayed in vivo in calcium phosphate ceramic blocks[J].Clin Orthop Relat Res, 1991(262):298-311.

[3]Bruder SP,Kraus KH,Goldberg VM,et al.The effect of implants loaded with autologous mesenchymal stem cells on the healing of canine segmental bone defects[J].J Bone Joint Surg Am,1998,80 (7):985-996.

[4]Petite H,Viateau V,Bensaid W,et al.Tissue-engineered bone regeneration[J].Nat Biotechnol,2000,18(9):959-963.

[5]Quarto R,Mastrogiacomo M,Cancedda R,et al.Repair of large bone defects with the use of autologous bone marrow stromal cells[J].N Engl J Med,2001,344(5):385-386.

[6]Carmeliet P,Jain RK.Angiogenesis in cancer and other diseases [J].Nature,2000,407(6801):249-257.

[7]Muschler GF,Nakamoto C,Griffith LG.Engineering principles of clinical cell-based tissue engineering[J].J Bone Joint Surg Am, 2004,86-A(7):1541-1558.

[8]Lee SH,Coger RN,Clemens MG.Antioxidant functionality in hepatocytes using the enhanced collagen extracellular matrix under different oxygen tensions[J].Tissue Eng,2006,12(10): 2825-2834.

[9]Kuboki Y,Jin Q,Takita H.Geometry of carriers controlling phenotypicexpressioninBMP-inducedosteogenesisandchondrogenesis[J].J Bone Joint Surg Am,2001,83-A Suppl 1(Pt 2): S105-S115.

[10]Druecke D,Langer S,Lamme E,et al.Neovascularization of poly (ether ester)block-copolymer scaffolds in vivo:long-term investigations using intravital fluorescent microscopy[J].J Biomed Mater Res A,2004,68(1):10-18.

[11]Macchetta A,Turner IG,Bowen CR.Fabrication of HA/TCP scaffolds with a graded and porous structure using a camphene-based freeze-casting method[J].Acta Biomaterialia,2009,5(4):1319-1327.

[12]Yang S,Leong KF,Du Z,et al.The design of scaffolds for use in tissue engineering.Part I.Traditional factors[J].Tissue Eng, 2001,7(6):679-689.

[13]Karageorgiou V,Kaplan D.Porosity of 3D biomaterial scaffolds and osteogenesis[J].Biomaterials,2005,26(27):5474-5491.

[14]Lu J,Flautre B,Anselme K,et al.Role of interconnections in porous bioceramics on bone recolonization in vitro and in vivo [J].J Mater Sci Mater Med,1999,10(2):111-120.

[15]Gafni Y,Zilberman Y,Ophir Z,et al.Design of a filamentous polymeric scaffold for in vivo guided angiogenesis[J].Tissue Eng,2006,12(11):3021-3034.

[16]Richardson TP,Peters MC,Ennett AB,et al.Polymeric system for dual growth factor delivery[J].Nat Biotechnol,2001,19(11): 1029-1034.

[17]Hirschi KK,Skalak TC,Peirce SM,et al.Vascular assembly in natural and engineered tissues[J].Ann N Y Acad Sci,2002,961: 223-242.

[18]Carmeliet P.Mechanisms of angiogenesis and arteriogenesis[J]. Nat Med,2000,6(4):389-395.

[19]Chen RR,Silva EA,Yuen WW,et al.Spatio-temporal VEGF and PDGF delivery patterns blood vessel formation and maturation [J].Pharm Res,2007,24(2):258-264.

[20]Pola R,Ling LE,Silver M,et al.The morphogen Sonic hedgehog is an indirect angiogenic agent upregulating two families of angiogenic growth factors[J].Nat Med,2001,7(6):706-711.

[21]Dery MA,Michaud MD,Richard DE.Hypoxia-inducible factor 1:regulation by hypoxic and non-hypoxic activators[J].Int J Biochem Cell Biol,2005,37(3):535-540.

[22]Deckers MM,van Bezooijen RL,van der Horst G,et al.Bone morphogenetic proteins stimulate angiogenesis through osteoblastderived vascular endothelial growth factor A[J].Endocrinology, 2002,143(4):1545-1553.

[23]Geiger F,Bertram H,Berger I,et al.Vascular endothelial growth factor gene-activated matrix(VEGF165-GAM)enhances osteogenesis and angiogenesis in large segmental bone defects[J].J Bone Miner Res,2005,20(11):2028-2035.

[24]Helm CL,Fleury ME,Zisch AH,et al.Synergy between interstitial flow and VEGF directs capillary morphogenesis in vitro through a gradient amplification mechanism[J].Proc Natl Acad Sci U S A, 2005,102(44):15779-15784.

[25]Arkudas A,Beier JP,Pryymachuk G,et al.Automatic quantitative micro-computed tomography evaluation of angiogenesis in an axially vascularized tissue-engineered bone construct[J].Tissue Eng Part C Methods,2010,16(6):1503-1514.

[26]Li NY,Yuan RT,Chen T,et al.Effect of platelet-rich plasma and latissimus dorsi muscle flap on osteogenesis and vascularization of tissue-engineered bone in dogs[J].J Oral Maxillofac Surg, 2009,67(9):1850-1858.

[27]陳濱,裴國(guó)獻(xiàn),王珂,等.大動(dòng)物體內(nèi)促組織工程骨成骨及血管化手段的研究[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報(bào),2003,25(1):26-31.

[28]Zhang X,Qi YY,Zhao TF,et al.Reconstruction of segmental bone defects in the rabbit ulna using periosteum encapsulated mesenchymal stem cells-loaded poly(lactic-co-glycolic acid) scaffolds[J].Chin Med J(Engl),2012,125(22):4031-4036.

[29]Erol OO,Sira M.New capillary bed formation with a surgically constructed arteriovenous fistula[J].Plast Reconstr Surg,1980,66 (1):109-115.

[30]Kneser U,Polykandriotis E,Ohnolz J,et al.Engineering of vascularized transplantable bone tissues:induction of axial vascularization in an osteoconductive matrix using an arteriovenous loop[J].Tissue Eng,2006,12(7):1721-1731.

[32]Beier JP,Horch RE,Arkudas A,et al.De novo generation of axially vascularized tissue in a large animal model[J].Microsurgery, 2009,29(1):42-51.

[33]Cai L,Wang Q,Gu C,et al.Vascular and micro-environmental influences on MSC-coral hydroxyapatite construct-based bone tissue engineering[J].Biomaterials,2011,32(33):8497-8505.

[34]Wang L,Fan H,Zhang ZY,et al.Osteogenesis and angiogenesis of tissue-engineered bone constructed by prevascularized betatricalcium phosphate scaffold and mesenchymal stem cells[J]. Biomaterials,2010,31(36):9452-9461.

[35]Tanaka Y,Sung KC,Tsutsumi A,et al.Tissue engineering skin flaps:whichvascularcarrier,arteriovenousshuntloopor arteriovenous bundle,has more potential for angiogenesis and tissue generation[J]?Plast Reconstr Surg,2003,112(6):1636-1644.

[36]Asahara T,Murohara T,Sullivan A,et al.Isolation of putative progenitor endothelial cells for angiogenesis[J].Science,1997,275 (5302):964-967.

[37]Tremblay PL,Hudon V,Berthod F,et al.Inosculation of tissueengineered capillaries with the host's vasculature in a reconstructed skin transplanted on mice[J].Am J Transplant,2005,5(5):1002-1010.

[38]Yu H,VandeVord PJ,Mao L,et al.Improved tissue-engineered bone regeneration by endothelial cell mediated vascularization [J].Biomaterials,2009,30(4):508-517.

[39]Koob S,Torio-Padron N,Stark GB,et al.Bone formation and neovascularization mediated by mesenchymal stem cells and endothelial cells in critical-sized calvarial defects[J].Tissue Eng Part A,2011,17(3-4):311-321.

[40]Güven S,Mehrkens A,Saxer F,et al.Engineering of large osteogenic grafts with rapid engraftment capacity using mesenchymal and endothelial progenitors from human adipose tissue[J]. Biomaterials,2011,32(25):5801-5809.

[41]Zisch AH,Lutolf MP,Hubbell JA.Biopolymeric delivery matrices for angiogenic growth factors[J].Cardiovasc Pathol,2003,12(6): 295-310.

Vascularization Strategy of Tissue Engineered Bone

WU Xiaowei,WANG Qian,CAO Yilin,XIAO Ran.Research Center,Plastic Surgery Hospital,Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College,Beijing 100144, China.Corresponding author:XIAO Ran(E-mail:xiaoran@pumc.edu.cn).

【Summary】The development of bone tissue engineering provides a promising way to repair large segment of bone defects. And it has already showed tremendous potential for application on the basis of numerous animal experiments and rising clinic studies.However,osteogenesis of the tissue engineered bone(TEB)grafts may be unstable after TEB constructs implanted in vivo,especially in sites with poor blood supply.Recent studies have demonstrated that the vascularization of TEB plays a vital role in generating large segment of bone grafts.In this article,the advances of TEB vascularization strategy were reviewed.

Tissue engineered bone;Bone defect;Vascularization

Q813.1+2

B

1673－0364（2015）05－0331－04

10.3969/j.issn.1673-0364.2015.05.012

2015年3月20日；

2015年5月16日）

北京市科技計(jì)劃重大項(xiàng)目（D090800046609003）。

100144北京市中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院整形外科醫(yī)院研究中心。

肖苒（E-mail：xiaoran@pumc.edu.cn）。