再生工程技術(shù)在肩袖損傷修復(fù)中的應(yīng)用

李俞鋒 趙金忠

肩袖損傷是常見的需外科干預(yù)的損傷之一[1]。肩袖自愈能力較差，外科干預(yù)療效較好，其疼痛緩解率可達85%～95%[2-3]。然而，手術(shù)治療有其局限性，對于肩袖損傷僅采用手術(shù)治療難以獲得較好愈合[3]。研究表明，手術(shù)治療肩袖損傷，損傷部位無法達到解剖結(jié)構(gòu)的生物學(xué)修復(fù)，而是形成反應(yīng)性瘢痕組織，進而影響肌腱愈合[4]?？朔缧湫迯?fù)手術(shù)治療的局限性，改善肩袖修復(fù)效果，降低再損傷率，一直是肩袖修復(fù)研究的熱點。

再生工程方法涉及材料工程、細胞工程、生物物理學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和臨床移植學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域，已在骨骼肌再生應(yīng)用中發(fā)揮重要作用[5]。再生工程技術(shù)包括但不限于提供生長因子、干細胞移植和組織工程技術(shù)等方法，可主動促進肌腱/腱骨愈合和組織再生，最終達到修復(fù)和重建的目的。我們回顧相關(guān)文獻，就該技術(shù)在肩袖損傷修復(fù)中的應(yīng)用研究進行綜述，并探討其應(yīng)用于肩袖修復(fù)的發(fā)展方向。

1 基于提供生長因子的策略

生長因子一直是發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。生長因子具有引導(dǎo)細胞分化和增殖成為組織的能力，在肌肉修復(fù)和再生方面也有巨大潛能[6]。再生工程中的生長因子療法主要通過提供生長因子來促進工程化組織的發(fā)生、發(fā)育，從而促進肌腱愈合[7]。近年，提供內(nèi)源性生長因子以生物學(xué)方法促進肌腱愈合受到極大關(guān)注，骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)家族、堿性成纖維細胞生長因子(bFGF)、轉(zhuǎn)化生長因子 (TGF) -β和血小板衍生生長因子(PDGF)等多種生長因子在肌腱愈合過程中均存在內(nèi)源性表達[8]。

1.1 直接提供生長因子

BMP、bFGF、TGF-β等生長因子能增加膠原蛋白含量,進而影響肌腱愈合。Pauly等[9]研究發(fā)現(xiàn)，BMP-2、BMP-7可誘導(dǎo)肌腱細胞產(chǎn)生Ⅰ型膠原，改善肩袖肌腱愈合。Tokunaga等[10]的研究表明，bFGF可誘導(dǎo)肌腱祖細胞生長，上調(diào)腱調(diào)蛋白表達和促進肌腱細胞再生，從而改善修復(fù)后肩袖的生物力學(xué)性能和組織學(xué)外觀。Davies等[11]進一步研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β通過阻止成纖維/成脂祖細胞凋亡，從而減輕肩袖撕裂后岡上肌肌纖維出現(xiàn)脂肪浸潤和萎縮的結(jié)局。Hee等[12]將重組人PDGF-BB裝載于牛Ⅰ型膠原基質(zhì)上，輸送至綿羊急性肩袖損傷模型的受傷部位，明顯改善了肩袖的生物力學(xué)性能和形態(tài)外觀。不過，Kovacevic等[13]的研究認(rèn)為，盡管PDGF在愈合早期能促進細胞增殖，但到了愈合后期，愈合部位無法形成結(jié)構(gòu)上更加有序或更牢固的附著點。

1.2 提供富血小板血漿

富血小板血漿(PRP)含有多種與肌腱愈合相關(guān)的生長因子[14]，如PDGF、表皮生長因子、TGF-β1和胰島素樣生長因子-1等。一項系統(tǒng)綜述研究表明，肩袖撕裂患者在手術(shù)治療時聯(lián)合使用PRP注射可降低肩袖修復(fù)失敗的風(fēng)險[15]。盡管PRP可作為生物補充劑提高肩袖愈合率，但在動物實驗的應(yīng)用中愈合率仍較低[16]。此外，PRP分泌的生長因子促進肌腱愈合的分子機制仍不清楚，相關(guān)研究仍在進行中。

1.3 輸送生物活性分子

輸送生物活性分子以促進肩袖肌腱的外科修復(fù)一直是研究熱點。一種方法是將生長因子置于組織工程支架及涂層縫合線中，或?qū)⑵淙芙庥诶w維蛋白密封劑中，局部輸送到肌腱修復(fù)部位。另一種方法是利用基因工程技術(shù)，將目的基因或DNA轉(zhuǎn)移到細胞，使其在受體細胞內(nèi)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯和表達，產(chǎn)生所需的生長因子，然后將基因編輯細胞移植至受傷部位?；蚬こ炭山鉀Q大多數(shù)生長因子有效時間短暫以及需要重復(fù)給藥的問題，但缺點是轉(zhuǎn)導(dǎo)效率難以控制，不能有效控制基因產(chǎn)物的表達[17]。

近年，部分生長因子的臨床研究存在爭議，缺乏進一步的基礎(chǔ)實驗研究，特別是在肩袖修復(fù)后肌腱愈合方面[18]。由于肌腱發(fā)生發(fā)育及損傷相關(guān)的分子機制尚不完全清楚，在大規(guī)模臨床應(yīng)用前，還需開展進一步研究。

2 基于干細胞移植的策略

干細胞是一類具有自我更新潛能的未分化細胞，能在特定條件下分化為多種細胞類型。在肌肉骨骼再生研究領(lǐng)域，常用的干細胞是骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSC)和脂肪源性干細胞(ADSC)[19]。這兩類干細胞幾乎可分化為所有結(jié)締組織譜系細胞，在某些生長因子或機械應(yīng)力的刺激下，它們可分化為肌腱細胞和組織[20]。

2.1 BMSC和ADSC的移植

已有文獻報道BMSC和ADSC被用于臨床肩袖撕裂治療。研究表明，纖維蛋白膠原載體裝載BMSC對腱骨愈合具有積極影響，移植物和骨骼間有纖維軟骨形成，可促進腱骨愈合[21]。與僅使用生物支架植入物相比，裝載自體肌腱細胞的植入物可更好地促進肩袖肌腱的愈合和重塑[22]。Hernigou等[23]研究發(fā)現(xiàn)，給肩袖撕裂患者先注射自體BMSC再進行手術(shù)，肩袖再撕裂率較低。Kim等[24]在行肩袖修復(fù)手術(shù)時于關(guān)節(jié)鏡下注射纖維蛋白膠原裝載的ADSC，他們對術(shù)后患者隨訪10年發(fā)現(xiàn)肩袖再撕裂率較低。Gulotta等[25]研究認(rèn)為，BMSC需聯(lián)合應(yīng)用多種生長因子才能促進肩袖愈合。此外，BMSC在體內(nèi)促進肌肉再生和改善肌肉功能的機制尚不清楚，需要開展進一步研究。

2.2 其他干細胞

除上述2種干細胞，來源于肌腱組織的肌腱干細胞(TSPC)也逐漸引起人們關(guān)注。有研究表明，人和大鼠的肌腱中含有少量具有普通干細胞特性的細胞群，這些細胞群在體外擴增并移植入體內(nèi)后可以再生肌腱樣組織，該研究表明TSPC具有克隆性、多能性和自我更新能力[26]。Cheng等[27]的研究也證實，纖維蛋白膠原載體裝載TSPC可以改善腱骨界面結(jié)構(gòu)，增強附著強度，從而促進腱骨愈合。

基于干細胞移植的策略，在治療肩袖損傷方面具有非常好的臨床前景，而最佳候選細胞應(yīng)具有較好的增殖、存活、歸巢和移植能力[5]。因此，對細胞遷移和歸巢機制進行更深入的研究，探索并優(yōu)化細胞增殖和移植的條件，有助于提高目標(biāo)組織的再生效率。

3 基于組織工程的策略

組織工程是一種多學(xué)科交叉的生物工程方法，它使用生物活性分子、細胞和支架的組合再造功能性組織，目的是誘導(dǎo)組織的修復(fù)、替換或再生[28]。常用生物支架可分為天然聚合物、合成聚合物和骨傳導(dǎo)材料支架等[29]。

3.1 天然聚合物支架

天然聚合物具有優(yōu)良的生物相容性和生物降解性，其自身的生物活性可誘導(dǎo)組織發(fā)育，是肩袖再生中一類重要的生物材料[30]。常見天然聚合物有膠原、殼聚糖、絲素蛋白、纖維蛋白和細胞外基質(zhì)等，治療肩袖撕裂時膠原和殼聚糖常用于促進肌腱再生[29]。van Kampen等[31]將Ⅰ型膠原纖維支架植入綿羊?qū)录‰毂砻妫?周后發(fā)現(xiàn)該支架能誘導(dǎo)產(chǎn)生完整致密、定向規(guī)則的腱樣組織，肩袖的肌腱厚度增加。Musson等[32]在肩袖撕裂大鼠模型的實驗研究中證實，絲素蛋白和纖維蛋白作為組織工程載體均可在一定程度上促進肌腱組織再生。

3.2 合成聚合物支架

與天然聚合物相比，合成聚合物除具有良好的生物相容性外，還能提供優(yōu)異的機械性能，因此被廣泛應(yīng)用于組織工程中[29]。根據(jù)不同的組織工程目的，合成聚合物支架又可分為可降解和不可降解聚合物支架。不可降解聚合物支架在肩袖修復(fù)中可起到永久支撐作用，同時具有良好的組織相容性和較高的抗張強度。

有關(guān)可降解聚合物支架的研究已有諸多報道。Moffat等[35]首次報道使用聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)納米纖維支架進行肩袖再生的研究。他們的研究結(jié)果表明，該支架對人肩袖成纖維細胞反應(yīng)具有顯著影響，可誘導(dǎo)細胞在對齊的納米纖維支架上形成仿生基質(zhì)，促進肩袖修復(fù)，具有促肌腱再生的巨大潛力。Zhao等[36]研究表明，單一PLGA纖維膜有助于細胞的附著和增殖，并可促進腱骨重塑，而載有bFGF的PLGA纖維膜對促進腱骨愈合效果更明顯。

3.3 骨傳導(dǎo)材料支架

骨傳導(dǎo)材料具有優(yōu)異的生物相容性、耐腐蝕性和高壓縮性，且能使骨祖細胞遷移到植入物的多孔空間中，誘導(dǎo)碳酸羥基磷灰石層和新骨形成[29]。Ma等[37]設(shè)計了一種納米羥基磷灰石/聚醚醚酮生物復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)該材料可促進小鼠成骨前體細胞的附著、遷移、增殖和成骨分化。Kovacevic等[38]在肩袖撕裂大鼠模型研究中證實，在腱骨界面破裂部位注射骨傳導(dǎo)鈣-磷基質(zhì)能促進腱骨愈合。

Sharp等[39]研究認(rèn)為，再生工程技術(shù)是組織工程技術(shù)的擴展，它以組織工程技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合材科學(xué)、干細胞科學(xué)、發(fā)育生物學(xué)等不同學(xué)科技術(shù)，開發(fā)新工具，利用這些工具來再生復(fù)雜組織。目前，再生工程技術(shù)在肩袖損傷修復(fù)臨床研究中的重點是以生物支架為基礎(chǔ)，加入適度生長因子或?qū)⒏杉毎踩塍w內(nèi)，誘導(dǎo)產(chǎn)生功能性組織，以達到加快肩袖愈合的目的。支架能提供適宜的細胞微環(huán)境，可誘導(dǎo)細胞遷移、生長和分化，從而誘導(dǎo)組織再生。Narayanan等[40]研究認(rèn)為，組織再生的成功取決于組織支架的生物活性。然而，上述支架存在一定的毒性，可引起不同程度的炎癥反應(yīng)[41]。研究表明，天然聚合物中殘留的生物活性抗原可能導(dǎo)致強烈的免疫反應(yīng)[42]，而合成聚合物或經(jīng)脫細胞處理的人源性真皮基質(zhì)產(chǎn)生的炎癥反應(yīng)較輕，并可主動誘導(dǎo)宿主組織重塑[43]。降低生物材料的毒性、免疫原性或免疫反應(yīng)是今后研究的方向。目前，生長因子或干細胞負載支架在肌腱愈合中的作用機制尚不清楚，相關(guān)臨床試驗研究較少。

4 結(jié)語

目前，再生工程技術(shù)應(yīng)用于肩袖損傷修復(fù)主要基于3個領(lǐng)域：①生長因子，單一或多種生長因子搭載合適載體持續(xù)或反復(fù)釋放于作用部位以促進肩袖再生；②干細胞，多能干細胞與生物活性材料結(jié)合可誘導(dǎo)細胞的增殖、分化，直至組織再生；③組織工程和材料工程，在優(yōu)化組織工程支架基礎(chǔ)上，整合生長因子和干細胞，協(xié)調(diào)多因素促進肌腱/腱骨愈合。近年來，生長因子/干細胞與生物相容性支架結(jié)合是一大趨勢。另一方面，肩袖損傷后造成的肌肉萎縮也不容忽視，目前還沒有利用再生工程技術(shù)改善肩袖損傷肌肉萎縮的相關(guān)研究。盡管開展了大量臨床前研究，生長因子或干細胞搭載支架在肌腱/腱骨愈合中發(fā)揮作用的分子機制仍不清楚，要將其應(yīng)用于臨床還需開展更多研究。