殼聚糖構(gòu)建細胞支架的研究現(xiàn)狀

殼聚糖構(gòu)建細胞支架的研究現(xiàn)狀

孫鐵鋒1,2，王平2，高志惠1,2

(1.山東中醫(yī)藥大學(xué)，山東 濟南 250014；2.山東省中醫(yī)藥研究院,山東 濟南 250014)

摘要：殼聚糖為陽性線性多糖，具有很好的生物降解性、生物相容性和藥理作用，以殼聚糖為基礎(chǔ)制作的細胞支架，可以為細胞黏附、生長和增殖提供良好的三維生長環(huán)境，已在醫(yī)用敷料、骨科材料、藥物載體等方面取得廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：殼聚糖；細胞支架；研究進展

基金項目:國家自然科學(xué)

作者簡介：孫鐵鋒，男，碩士研究生，研究方向：中藥藥理，E-mail：suntiefenglove@163.com

通訊作者：王平，女，副研究員，研究方向：中藥藥理，E-mail:wangpingjinan@163.com

中圖分類號：R944.9文獻標(biāo)識碼：A

Research status of construct cell scaffold of Chitosan

SUNTie-feng1,2,WANGPing2,GAOZhi-hui1,2

(1.ShandongUniversityofTraditionalChineseMedicine,Jinan250014,China;2.Shandong

AcademyofChineseMedicine，Jinan250014,China)

Abstract：Chitosan as a positive linear polysaccharide, has good biodegradability,biocompatibility and pharmacological effects, using chitosan as scaffold basedproduction, can provide a good 3D environment for the growth of cell adhesion,growth and proliferation, has obtained the widespread application in the medical dressing, department of orthopedics materials, drug carrier.

Key words:Chitosan;Scaffold;Research progress

殼聚糖的化學(xué)名為β-(1,4)-2-氨基-2-脫氧-D-葡聚糖[1],是甲殼質(zhì)經(jīng)脫乙酰基而得到的一種天然陽離子多糖，具有生物相容性好、無毒副作用、來源豐富等突出特點[2]，廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、醫(yī)藥、醫(yī)用高分子材料等領(lǐng)域，并且已在基礎(chǔ)生物醫(yī)學(xué)與臨床領(lǐng)域得到了應(yīng)用。進一步改進殼聚糖，提高殼聚糖的化學(xué)和生物特性，豐富其作為細胞支架的使用范圍，提升生物利用價值，已作為重點研究內(nèi)容。本文主要從殼聚糖的生物特性、藥理作用、新型復(fù)合細胞支架及應(yīng)用和前景這幾個方面進行綜述。

1殼聚糖生物特性

1.1生物可降解性在水溶液和有機溶液中，殼聚糖的降解是非常緩慢的，但在生物體中，殼聚糖不僅可以通過溶菌酶、水解酶分解，還可以被多種酶制劑分解，具有高度的選擇性。Onishi等[3]用異硫氰酸熒光素標(biāo)記殼聚糖，運用腹膜注射法發(fā)現(xiàn)FTC-Chi在注射后很快到達腎臟和尿液中，具有很高的選擇性。

1.2生物相容性殼聚糖的生物相容性即殼聚糖與生物體組織如骨骼、內(nèi)部器官等之間的相互適應(yīng)性。同時殼聚糖具有高等動物組織中膠原質(zhì)生物相容性,在細胞水準(zhǔn)上與生物體可以很好的切合,有利于殼聚糖支架的植入，產(chǎn)生抗原的可能性很小。黃攀等[4]將殼聚糖優(yōu)化制作成N-羧甲基殼聚糖，相同質(zhì)量N-羧甲基殼聚糖比膜劑更易被組織降解吸收;其良好的生物相容性可以運用制作生物醫(yī)用材料，很好的存在生物體內(nèi)。

1.3凝血、止血作用殼聚糖的脫乙酰度、物理形式密切影響它的止血能力。Suzuki等[5,6]研究表明，殼聚糖的脫乙酰度和補體系統(tǒng)的激活密切相關(guān)，脫乙酰度越高，補體的激活效應(yīng)就越強。通過對紅細胞的聚集，可以有效地刺激血小板，活化補體系統(tǒng)，使凝血系統(tǒng)激活，從而達到有效止血快速凝固目標(biāo)。Wu等[7]通過實驗發(fā)現(xiàn)殼聚糖對血小板有黏附作用，證實了殼聚糖具有很好的凝血、止血作用。盧斌等[8]研究由殼聚糖構(gòu)成的發(fā)現(xiàn)殼聚糖/海藻酸鈉—云南白藥復(fù)合膜，止血作用顯著強于其他各組。

2殼聚糖藥理作用

2.1抑菌、抗菌功用殼聚糖擁有廣泛的抗菌抑菌性,對幾十種細菌和真菌生長都有明顯的抑制作用。鄧婧等[9]研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖對常見的傷口感染菌、皮膚癬菌、口腔致病菌均有較為顯著的抑菌效果。王科兵等[10]通過實驗發(fā)現(xiàn)，殼聚糖碘液對常見致病性皮膚癬菌有很強的殺菌作用，3 h就可以殺死全部真菌，證實了殼聚糖的抗菌抑菌特性。另外，相關(guān)的實驗研究表明[11,12]，在分子量相同時，甲殼素的脫乙酞度越高，它的抑菌作用越強。但是我們對殼聚糖的抗菌機理還不非常了解，當(dāng)前主要集中在以下三種機理：第一種機理是殼聚糖可以與微生物正常生長所必需的微量元素結(jié)合，從而抑制微生物生長[13]；第二種機理是酸性環(huán)境下，殼聚糖以聚陽離子方式存在，通過與帶負電荷微生物細胞膜靜電作用，使細胞發(fā)生凹下、變形和泄露[14]；第三種機理是殼聚糖可直接透過微生物細胞膜進入細胞內(nèi)部，與DNA生成穩(wěn)定的復(fù)合物，從而抑制微生物繁殖[15]。

2.2抗癌活性殼聚糖可以直接抑制腫瘤細胞生長，也可以通過增強免疫系統(tǒng)來促進機體的抗腫瘤作用。吳季霖[16]通過建立黑色素瘤小鼠模型，并把將殼聚糖應(yīng)用于此模型，結(jié)果顯示殼聚糖并不直接殺傷腫瘤細胞，而是明顯地抑制朝向腫瘤生長的血管的生成，使腫瘤不能向周圍組織浸潤轉(zhuǎn)移。Saiki等[17]通過研究發(fā)現(xiàn),殼聚糖能通過誘導(dǎo)局部巨噬細胞，增強他的吞噬功能和水解活性，通過增強免疫系統(tǒng)來促進機體的抗腫瘤作用。

2.3降低血糖血脂殼聚糖具有降低血糖血脂的功效。魏濤等[18]實驗研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖所含的堿性氨基能與體內(nèi)有機酸結(jié)合，提高內(nèi)環(huán)境pH值，并且增強胰島素活性，增強糖異生代謝，進而達到促進糖原的合成，以達到降低血糖的作用。艾永循等[19]制作高血糖小鼠模型(Al-loxan法)，發(fā)現(xiàn)殼聚糖對高血糖小鼠有顯著的降血糖作用。證實了殼聚糖具有很好的降血糖作用。De Campos Grifoni等[20]研究發(fā)現(xiàn)，血液中的脂肪滴帶負電荷，當(dāng)帶正電荷的殼聚糖與其結(jié)合時，在脂滴周圍產(chǎn)生天然屏障，阻斷脂肪分子分解，從而使脂肪在小腸內(nèi)不被吸收而以脂肪微粒排出體外，降低了血脂含量，證實了殼聚糖具有很好的降血脂功能。

2.4其他特性性殼聚糖對血液成分如血清蛋白吸附能力很大，具有抗炎、鎮(zhèn)痛作用。能提高肝臟抗氧能力，并且有良好的抗輻射作用。殼聚糖中的低聚糖能促進腸道益生菌增殖，改善腸道微環(huán)境。同時殼聚糖能值比蔗糖低，并伴有爽口的甜味，不增加胰腺的負擔(dān)，因此廣泛用于牙膏、牙粉、口香糖、牛奶巧克力等生產(chǎn)。另外，可溶性殼聚糖額外添加于食品中，還可幫助人體吸收所需礦物質(zhì)元素如鈣、鐵、鋅等。

3新型的殼聚糖復(fù)合細胞支架

殼聚糖也被稱為水溶性甲殼素，甲殼素普遍存在于蝦、蟹等節(jié)肢動物的外殼，真菌及一些藻類植物的細胞壁中，可以很好地應(yīng)用在細胞支架上，滿足細胞支架日益增長的需求。當(dāng)今殼聚糖作為可降解支架已在組織工程領(lǐng)域具有廣泛研究[21]。以殼聚糖作為細胞支架具有以下幾點優(yōu)勢：優(yōu)秀的生物相容性能并能維持支架能，維持細胞形態(tài)和表型，能促進細胞黏附與增殖，誘導(dǎo)組織再生；細胞的親和性，不僅支持細胞黏附，也使細胞黏附生長良好的材料；維持三維開放孔結(jié)構(gòu)，為細胞生長提供環(huán)境，殼聚糖凝膠在生物體內(nèi)可以與組織進行相互適應(yīng)；適當(dāng)?shù)纳锟山到庑?，降解速率與組織形成率同步；無免疫原性、無毒性，具有一定機械強度；易加工成形。鑒于殼聚糖本身的結(jié)構(gòu)和特性，將殼聚糖制成細胞支架，能夠為細胞生長提供優(yōu)秀的細胞支架外環(huán)境，是理想的細胞外基質(zhì)材料。目前殼聚糖及其衍生物作為細胞支架主要應(yīng)用在三個方面。

3.1藥物載體由殼聚糖制成殼聚糖膜或包埋藥物的載體，由于殼聚糖的無毒性，可以很好的運用到藥物載體上。殼聚糖膜能允許分子量較低的藥物分子通過,可作為理想的藥物緩釋材料。并可以延長包埋其中藥物的釋放時間。盧風(fēng)琦等[22]研究發(fā)現(xiàn),微囊中殼聚糖含量越多,其對海藻酸鈉的緩釋作用越強。舒曉正等[23]用乳化法制備了粒徑小于200 μm可注射用殼聚糖-海藻酸鈉微囊,其表面復(fù)合的牛血清蛋白持續(xù)釋放時間從幾小時延長到半個月以上，證實了殼聚糖作為藥物載體可以延長藥物的持續(xù)釋放時間。

3.2骨科材料趙峰等[24]通過HE和von Kossa染色方法觀察大鼠顱骨成骨細胞在殼聚糖-明膠網(wǎng)絡(luò)/羥基磷灰石(CS-Gel/HA)復(fù)合材料支架上的生長情況，發(fā)現(xiàn)大鼠顱骨成骨細胞在復(fù)合材料支架上生長良好,增殖較快,周圍分泌有大量細胞外基質(zhì),3周時局部已出現(xiàn)骨樣組織。李忠等[25]將間充質(zhì)干細胞負載到殼聚糖/β-甘油磷酸鈉凝膠上,體外三維培養(yǎng)3周，發(fā)現(xiàn)間充質(zhì)干細胞能良好地在殼聚糖/β-甘油磷酸鈉凝膠內(nèi)伸展、黏附、生長和增殖，細胞在新形成的組織內(nèi)保持成活。韓寧波等[26]取30只新西蘭大白兔制備兔膝全層軟骨缺損模型。觀察發(fā)現(xiàn)實驗組缺損區(qū)大部分被修復(fù)，缺損區(qū)被軟骨組織充填，組織學(xué)檢查提示形成典型的透明樣軟骨結(jié)構(gòu)。

3.3醫(yī)用敷料由于創(chuàng)傷、燒傷和皮膚潰爛等多種原因，可能導(dǎo)致皮膚的大范圍損壞，通常情況下采用醫(yī)用敷料對傷口進行保護，以防止傷口的感染和脫水，從而進一步惡化。殼聚糖具有優(yōu)秀的生物特性，以其為基礎(chǔ)作為醫(yī)用敷料有效地促進創(chuàng)面表皮重建和傷口愈合，減小瘢痕。達到止痛、止血、止癢的效果。Abul等[27]研究殼聚糖薄膜敷料在人體取皮創(chuàng)面的應(yīng)用，組織病理學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)，殼聚糖敷料覆蓋下的細胞能刺激皮膚層修復(fù)和組織結(jié)構(gòu)重建，誘導(dǎo)創(chuàng)面快速而有序地愈合，生成良好的新皮膚組織，可以很好地運用在醫(yī)用敷料上。鄭嬋穎[28]研究發(fā)現(xiàn)將高分子量的殼聚糖制成絲后再將其紡織成紗布，在此紗布上涂敷低分子量殼聚糖制得醫(yī)用敷料，不僅具備物質(zhì)本身良好的抗菌、止血和與人體組織融合的功能，還具有了其結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的柔軟、透氣等特性。

3.4其他應(yīng)用研究顯示，殼聚糖在支架器官再造、皮膚再造和血管修復(fù)等方面獲得了新的應(yīng)用。陳剛等[29]利用自行研制的殼聚糖可吸收管型支架外覆自體頸部肌瓣，通過動物實驗證實殼聚糖可吸收管型支架聯(lián)合肌瓣修補維持了食管管道暢通，同時也起到了支撐作用，并且具有良好的生物相容性。郜俊青等[30]證實殼聚糖/肝素涂層西羅莫司DES具有較好的抗血栓作用，且能夠在早期促進支架內(nèi)皮化。

4應(yīng)用及前景

殼聚糖作為藥物載體，具有長效釋放的優(yōu)點。殼聚糖的多孔構(gòu)造利于體內(nèi)細胞生長和骨再建[31]。雖然殼聚糖作為支架載體可以很好地應(yīng)用到載藥系統(tǒng)，但藥物裝載效率和藥物控制釋放能力慢。殼聚糖與合成大分子雖可以較好的應(yīng)用到支架材料上，但是殼聚糖的促凝血作用使其血液相容性差，目前研究人員關(guān)注這一問題并尋求解決辦法，以待改善其血液相容性，擴展其在生物醫(yī)學(xué)工程上的應(yīng)用領(lǐng)域，使其更加安全有效地與人體心血管系統(tǒng)直接接觸。天然材料雖然能很好地保有其生物特性[32]，但是其過于單一的特性極大限制了作為細胞支架的應(yīng)用性。而人工合成的材料由于其生物特性差也限制了其適用范圍，目前對單種支架材料和兩種復(fù)合支架材料研究較多，并且取得了一定成果，但并不能完全滿足試驗預(yù)期結(jié)果和對多種復(fù)合支架的迫切需求，因此對多種支架材料進行聚合或化學(xué)修飾，從而改善其理化和生物學(xué)特性，研究新一代細胞支架將是今后細胞支架材料研究的主要方向[33]。我國特別是沿海地區(qū),天然甲殼素/殼聚糖資源豐富，但是殼聚糖的工業(yè)化生產(chǎn)和制備工藝有待改進。隨著研究的進一步深入，以殼聚糖為基礎(chǔ)的細胞支架必將產(chǎn)生突破性進展，帶來巨大的經(jīng)濟效益，具有非常大的發(fā)展前景。

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