生物材料改善肌腱病治療的應(yīng)用進(jìn)展

韓啟斌 白浪 楊興

肌腱是連接肌肉與骨骼的質(zhì)韌組織，由少量細(xì)胞和大量細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)組成。當(dāng)受到的機(jī)械負(fù)荷超過其可承受范圍時，肌腱組織會逐漸變性，失去原有的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，進(jìn)而演變?yōu)榧‰觳1]。肌腱的自我修復(fù)過程緩慢，發(fā)生病變后容易形成纖維沉積和瘢痕，導(dǎo)致治療困難和較高的病變復(fù)發(fā)率[2]。生物材料因具有良好的生物相容性和生物力學(xué)性能，并可作為多種介導(dǎo)肌腱組織修復(fù)再生信號的遞送體，已在肌腱組織工程研究中得到廣泛應(yīng)用。

1 肌腱病的病理特征

肌腱病的發(fā)病機(jī)制迄今尚未完全闡明。病變腱組織的一個顯著特點(diǎn)是膠原退變和纖維紊亂，伴肌腱細(xì)胞變性和血管化，有時也會出現(xiàn)纖維蛋白沉積、鈣化和脂質(zhì)積聚[3]。過度使用是肌腱損傷和變性的最常見原因，此外，體質(zhì)量、營養(yǎng)和年齡等內(nèi)在因素也與肌腱損傷有密切關(guān)系[4]。受損肌腱愈合緩慢，且難以恢復(fù)正常肌腱的結(jié)構(gòu)完整性和機(jī)械強(qiáng)度。由于各種應(yīng)力和機(jī)械負(fù)荷引起基質(zhì)分解與合成之間失平衡，肌腱變性過程也被認(rèn)為是基質(zhì)適應(yīng)和重塑的失敗[5]。

以往研究中，肌腱病一直被認(rèn)為是由單純的肌腱組織退行性變所引起，然而近年來越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，炎癥反應(yīng)也參與肌腱病的發(fā)生發(fā)展過程中。已有研究證實(shí)，肌腱病變早期腫瘤壞死因子(TNF)-α、白細(xì)胞介素(IL)-1β、IL-10等炎癥介質(zhì)均呈高表達(dá)，進(jìn)而導(dǎo)致炎癥的級聯(lián)反應(yīng)發(fā)生[6]。炎癥微環(huán)境還可以誘導(dǎo)肌腱干細(xì)胞(TDSC)成軟骨分化或成骨分化，致使肌腱組織異位鈣化，影響其功能[7]。Dakin等[8]發(fā)現(xiàn)，病變肌腱組織中M1型促炎巨噬細(xì)胞比例明顯上升，同時肌腱細(xì)胞受炎癥刺激后高表達(dá)間質(zhì)成纖維細(xì)胞激活標(biāo)志物，進(jìn)一步加重肌腱病。上述研究均表明，炎癥與變性可能非各自獨(dú)立存在，兩者間往往相互影響。肌腱損傷早期存在一定的炎癥反應(yīng)，晚期炎癥反應(yīng)逐漸消退，而肌腱退行性變則貫穿始終。

2 損傷肌腱的修復(fù)

目前的研究認(rèn)為，損傷肌腱的修復(fù)包括三個密切關(guān)聯(lián)的過程：組織炎癥期、細(xì)胞增殖期和ECM重塑期。肌腱受損后，炎癥細(xì)胞首先聚集于損傷部位并釋放炎性介質(zhì)，促進(jìn)局部微血管網(wǎng)絡(luò)形成。數(shù)天后，肌腱細(xì)胞開始增殖，合成并釋放大量ECM成分，主要為隨機(jī)排列的蛋白多糖和Ⅲ型膠原。6～8周后，基質(zhì)開始緩慢重塑，Ⅲ型膠原向Ⅰ型膠原轉(zhuǎn)變，沿肌腱縱軸排列并相互交聯(lián)，以恢復(fù)肌腱原有的硬度和抗拉強(qiáng)度，這一過程將持續(xù)數(shù)月至數(shù)年[3]。許多生物活性分子，包括轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β1、胰島素樣生長因子(IGF)-1、血小板衍生生長因子(PDGF)等均參與肌腱的內(nèi)源性修復(fù)過程，并具有不同的生物學(xué)效應(yīng)。

然而，肌腱組織再生能力很弱，僅依靠制動、減負(fù)、抗炎甚至外科手術(shù)等傳統(tǒng)治療方法往往難以恢復(fù)肌腱的正常組織結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致瘢痕形成，肌腱力學(xué)性能下降[9]。

3 生物材料在肌腱修復(fù)中的應(yīng)用

生物材料具有高度生物相容性，良好的生物力學(xué)性能，以及可修飾性，在組織工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。肌腱修復(fù)方面，已有諸多天然聚合物、合成聚合物及其雜化的復(fù)合材料被研發(fā)應(yīng)用，且取得良好成效，這些生物材料主要以水凝膠、靜電紡絲、脫細(xì)胞支架等形式呈現(xiàn)[10]。

3.1 水凝膠生物材料

水凝膠是親水性聚合物交聯(lián)形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很好的生物相容性及物質(zhì)傳遞能力[11]，被廣泛用于模擬ECM以及局部遞送藥物、細(xì)胞和生長因子。天然水凝膠在機(jī)械強(qiáng)度上有所欠缺，為此Sundaram等[12]將殼聚糖水凝膠與經(jīng)熱處理的聚左旋乳酸(PLLA)微纖維結(jié)合以模擬肌腱ECM，其中前者可提供利于細(xì)胞生長的多孔微環(huán)境，后者能維持支架的力學(xué)完整性。該材料在肌腱再生研究中展現(xiàn)出良好性能。González-Quevedo等[13]開發(fā)了一種納米纖維蛋白-瓊脂糖水凝膠，并用京尼平交聯(lián)以增強(qiáng)其力學(xué)性能。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)顯示，該材料能夠改善大鼠跟腱損傷局部的微環(huán)境，促進(jìn)組織修復(fù)和纖維重塑。Yin等[14]使用由天然精氨酸、丙氨酸和天冬氨酸合成的多肽水凝膠，探索針對衰老或退行性TDSC的年輕化策略。該多肽水凝膠材料可通過自組裝在體外重現(xiàn)TDSC的三維天然微壞境特征，將培育的衰老或退行性TDSC恢復(fù)至正常的細(xì)胞形態(tài)和生物力學(xué)特性。

Wang等[15]以明膠為載體制備負(fù)載塞來昔布的磁響應(yīng)水凝膠敷料(明膠/Fe3O4/塞來昔布)，并聯(lián)合脈沖電磁場用于治療肌腱損傷。他們發(fā)現(xiàn)，該水凝膠敷料中三者的協(xié)同作用能夠有效減輕腱組織炎癥，使損傷局部M2型促修復(fù)巨噬細(xì)胞比例增加。Yin等[16]設(shè)計一種負(fù)載TDSC的溫敏性丁二異氰酸酯-Ⅰ型膠原水凝膠，能夠在約25 ℃發(fā)生溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變，將其注射入人體即可自動成膠。體外實(shí)驗(yàn)顯示該水凝膠能夠長期、穩(wěn)定地促進(jìn)TDSC的腱系分化，加速Ⅰ型膠原合成。Li等[17]研發(fā)一種具有高載藥量和高機(jī)械強(qiáng)度并可生物降解的黏土納米顆粒-海藻酸鹽水凝膠，并證明該復(fù)合材料可持續(xù)性局部釋放IGF-1，具有促進(jìn)大鼠跟腱再生的能力。

物理、生化和機(jī)械等特性的特殊組合可能是水凝膠材料的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)水凝膠材料存在外部尺寸較大、遞送效率難以控制等問題，近年水凝膠微球作為替代材料得到廣泛研發(fā)。水凝膠微球在傳統(tǒng)水凝膠材料基礎(chǔ)上兼具可注射性和模塊化特性，其應(yīng)用前景廣闊[18]。Chen等[19]將姜黃素包埋于殼聚糖水凝膠微球中，經(jīng)微創(chuàng)注射至大鼠跟腱損傷模型局部。他們發(fā)現(xiàn)，負(fù)載姜黃素的水凝膠微球較單純藥物能更長效地調(diào)控局部炎癥反應(yīng)。Kang等[20]用微流控方法制備了均一、穩(wěn)定的聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)多孔微球，并在其表面接合PDGF和肝素，將其應(yīng)用于兔肩袖肌腱病模型中。他們發(fā)現(xiàn)，這種方法不僅可抑制多種炎癥因子表達(dá)，還能促進(jìn)膠原蛋白分泌和肌腱形成標(biāo)志物表達(dá)，從而促進(jìn)肌腱愈合。Zhou等[21]使用PLGA微球負(fù)載環(huán)氧合酶工程化微RNA(miRNA)，并將其嵌入透明質(zhì)酸水凝膠中，形成一種新型局部持續(xù)基因遞送系統(tǒng)。他們發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能長效抑制環(huán)氧合酶表達(dá)，減輕炎癥反應(yīng)，防止肌腱粘連。

3.2 靜電紡絲生物材料

靜電紡絲是用途廣泛的超薄纖維制備技術(shù)，可以制備模擬ECM的纖維材料，為細(xì)胞生長發(fā)育提供適宜環(huán)境[22]。功能化電紡纖維膜還能有效阻隔肌腱與腱周組織，預(yù)防和緩解肌腱粘連[23]。Wang等[24]開展研究在聚己內(nèi)酯(PCL)/聚2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰膽堿(PMPC)復(fù)合納米纖維膜上構(gòu)建超潤滑表面。他們通過在受控相對濕度下的靜電紡絲技術(shù)，使PMPC在PCL纖維膜表面形成結(jié)合水化層，生成摩擦系數(shù)極小的水合潤滑表面，從而顯著減少肌腱修復(fù)過程中的組織粘連。Liu等[25]報道，將細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)2-小干擾RNA(siRNA)聚合物遞送系統(tǒng)電紡于聚乳酸/透明質(zhì)酸膜上，該電紡復(fù)合膜通過減少成纖維細(xì)胞增殖和Ⅲ型膠原纖維沉積，下調(diào)ERK2及其下游信號，可達(dá)到抑制粘連形成的作用。

單向排列的電紡絲纖維可為肌腱細(xì)胞提供接觸指導(dǎo)，使肌腱細(xì)胞與其ECM形成接近正常肌腱組織的高度有序結(jié)構(gòu)[26]。Rinoldi等[27]為再現(xiàn)肌腱束的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，設(shè)計并通過靜電紡絲技術(shù)制備一種負(fù)載人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSC)和骨形態(tài)發(fā)生蛋白-12的高取向細(xì)胞水凝膠三維支架，并給予支架一定程度的機(jī)械拉伸，以模擬天然肌腱組織中發(fā)生的改變。該支架的纖維排列方向與機(jī)械刺激相結(jié)合，產(chǎn)生高度優(yōu)先的縱向細(xì)胞取向，進(jìn)而促進(jìn)BMSC的腱系分化及膠原纖維生成和有序排列。近期的另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，巨噬細(xì)胞可能作為機(jī)械敏感細(xì)胞在肌腱修復(fù)過程中發(fā)揮重要作用，生物材料纖維形態(tài)的微小紊亂足以誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞、肌腱細(xì)胞釋放促炎信號[28]。高度有序的生物材料支架不僅可以加速肌腱基質(zhì)合成，還能促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M2表型轉(zhuǎn)化，改善局部炎癥微環(huán)境[29]。

Wang等[30]研究制備一種雙層PLLA電紡膜，其內(nèi)層膜為定向排列以促進(jìn)肌腱修復(fù)，外層膜為隨機(jī)取向以防止腱周粘連。肌腱細(xì)胞合成分泌的膠原在內(nèi)層膜引導(dǎo)下定向重排，定向排列的膠原也能進(jìn)一步促進(jìn)肌腱的分化和再生。與單層膜相比，雙層膜結(jié)構(gòu)為損傷后早期活動提供了滑動空間，并可通過膜降解后留下的滑動間隙防止腱周粘連[31]。該雙層PLLA膜的促修復(fù)及抗粘連功能在雞伸屈肌腱損傷模型上獲得有效驗(yàn)證，同時，使用該雙層PLLA膜也避免了引入外源性藥物或生物活性分子可能帶來的不良反應(yīng)[30-31]。

3.3 脫細(xì)胞生物支架

脫細(xì)胞生物支架是利用脫細(xì)胞技術(shù)去除組織中細(xì)胞和DNA成分的天然組織工程支架，其在降低免疫原性的同時保留了ECM成分，與人工支架相比，它的結(jié)構(gòu)和生化性能更接近體內(nèi)細(xì)胞的自然環(huán)境[32]。不同組織來源的生物支架已被廣泛應(yīng)用于肌肉骨骼系統(tǒng)損傷后修復(fù)的研究中[33]，肌腱組織因含大量基質(zhì)成分成為研究熱點(diǎn)。

羊膜是天然高分子半透膜，具有表面光滑、富含基質(zhì)及細(xì)胞因子的特性[34]，是預(yù)防肌腱粘連的理想生物材料。Sang等[35]對新鮮羊膜進(jìn)行脫細(xì)胞處理，并開展體內(nèi)、體外實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，脫細(xì)胞羊膜通過釋放TGF-β1和堿性成纖維細(xì)胞生長因子可加速肌腱細(xì)胞增殖，在隔離外源性黏附組織的同時可促進(jìn)肌腱組織的內(nèi)源性愈合。Liu等[36]在脫細(xì)胞羊膜表面通過靜電紡絲技術(shù)涂覆PCL納米纖維形成多層復(fù)合膜，構(gòu)建了符合肌腱修復(fù)周期的生長因子緩釋體系，PCL纖維同時也能為基質(zhì)排列提供指引。

脫細(xì)胞肌腱支架是去除細(xì)胞成分的肌腱ECM，其生物活性成分、膠原蛋白排列和生物力學(xué)特性與天然肌腱高度相似[37]，是肌腱修補(bǔ)的良好選擇。Zhang等[38]研究脫細(xì)胞牛肌腱支架在兔跟腱缺損重建中的作用。他們發(fā)現(xiàn)，組織學(xué)檢查顯示該支架可促進(jìn)宿主細(xì)胞浸潤和新生纖維組織整合，術(shù)后12周可見跟腱樣結(jié)構(gòu)形成以及排列整齊的膠原纖維，且無明顯免疫排斥反應(yīng)。為了增強(qiáng)肌腱組織修復(fù)能力，Xie等[39]將BMSC負(fù)載至脫細(xì)胞肌腱支架。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在兔跟腱損傷模型中移植該復(fù)合材料支架可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，干細(xì)胞在支架微環(huán)境中分化為肌腱細(xì)胞，可促進(jìn)肌腱組織的再生與修復(fù)。同樣的方法也在兔肩袖損傷修復(fù)研究中得到驗(yàn)證[40]。然而，異種來源脫細(xì)胞支架的免疫原性仍是有待深入探究的問題。

Li等[41]以定向紡絲的PCL纖維支架為模板，將其植入自體皮下數(shù)周后形成ECM沉積，隨后去除聚合物模板及細(xì)胞，形成具有中空和對齊微通道結(jié)構(gòu)的自體脫細(xì)胞基質(zhì)支架。他們將該支架應(yīng)用于大鼠跟腱缺損模型中，顯示出優(yōu)異的組織再生能力，且無傳統(tǒng)肌腱修復(fù)帶來的風(fēng)險，也不需要額外的細(xì)胞播種或藥物干預(yù)。無獨(dú)有偶，為了克服動物脫細(xì)胞支架在可用性、成本及倫理等方面存在的問題，Negrini等[42]對植物組織脫細(xì)胞支架的應(yīng)用潛力進(jìn)行探索研究。他們發(fā)現(xiàn)，芹菜衍生支架具有定向排列的微通道結(jié)構(gòu)，且其生物力學(xué)性能優(yōu)異；同時，體外實(shí)驗(yàn)顯示該支架具有支持肌腱細(xì)胞黏附和增殖的能力，表明該類支架在促進(jìn)肌腱修復(fù)方面具有潛在應(yīng)用前景。

4 總結(jié)與展望

由于肌腱組織具有富基質(zhì)、乏細(xì)胞的特性，其自我修復(fù)過程緩慢，現(xiàn)有的肌腱病治療方案不能使病變肌腱完全修復(fù)再生，存在病情遷延、預(yù)后不佳等問題。近年，在改善肌腱病治療的研究中，生物材料的應(yīng)用顯示出良好發(fā)展前景。理想的肌腱愈合方案一方面可減輕炎癥反應(yīng)，預(yù)防組織粘連，另一方面應(yīng)具有促進(jìn)ECM修復(fù)和重塑的作用。不同類型生物材料具有不同特性，材料與生物活性成分組合以及多種材料間的組合，有望進(jìn)一步改善肌腱病預(yù)后，這也是肌腱組織工程領(lǐng)域的研究趨勢。