不同骨病環(huán)境中骨再生的組織工程治療策略

肖傲 李凱

骨是由細胞、纖維和細胞外基質(zhì)組成的堅硬礦化組織，在人體內(nèi)發(fā)揮承重、造血、參與血鈣代謝、保護重要臟器的功能，此外其作為肌肉、韌帶的附著點，還具有維持運動功能完整性的作用[1]。與體內(nèi)其他組織相比，骨具有較強的再生能力，當(dāng)損傷較小時往往能自我修復(fù)[2]。但是，當(dāng)出現(xiàn)超過骨再生限度的較大骨缺損或骨再生能力受損時，骨的修復(fù)能力則十分有限[3-4]。目前，治療骨缺損的方法主要是自體或異體骨移植。然而，相對于骨再生的大量需求，供體數(shù)量尚無法滿足，同時這些手術(shù)伴隨著自身免疫反應(yīng)或繼發(fā)感染等風(fēng)險，極大限制了其實際應(yīng)用[5]。為此，許多學(xué)者迫切希望尋求安全可行的骨修復(fù)替代治療方案。

組織工程學(xué)通過協(xié)調(diào)細胞、支架和信號分子來達到誘導(dǎo)組織再生的目的[3]。近年來，隨著該領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，骨組織工程已逐漸成為一種有潛力的骨再生途徑[6-7]。但需要注意的是，與健康環(huán)境中的骨修復(fù)相比，各種骨病環(huán)境常導(dǎo)致骨修復(fù)受限或骨再生不足[3]，在骨修復(fù)同時必須克服組織感染、腫瘤細胞侵蝕或局部血液循環(huán)障礙等不利因素的影響。迄今，許多學(xué)者進行了相關(guān)研究，并提出各種組織工程治療方案，本文就不同骨病環(huán)境中骨缺損的組織工程治療策略進行綜述。

1 骨髓炎相關(guān)骨缺損

骨髓炎常因機體其他部位的感染性病灶經(jīng)血液傳播或開放性骨折等原因?qū)е耓8]，是以骨質(zhì)破壞為特征的炎癥性疾病[9]，不恰當(dāng)或不及時的治療可能使病程由急性轉(zhuǎn)為慢性，進一步誘發(fā)較大骨缺損甚至病理性骨折的發(fā)生。骨髓炎的治療主要包括應(yīng)用抗菌藥和清創(chuàng)，但長期高劑量使用抗菌藥物會導(dǎo)致耐藥菌出現(xiàn)[10]，而清創(chuàng)又會導(dǎo)致較大骨缺損甚至進一步誘發(fā)病理性骨折。因此，骨髓炎導(dǎo)致的骨缺損再修復(fù)治療通常具有挑戰(zhàn)性[11]。

采用骨組織工程方案治療骨髓炎相關(guān)骨缺損時，許多學(xué)者首選將支架材料作為抗生素載體植入感染性骨缺損部位，目前已開發(fā)出多種可行性較高的復(fù)合支架。Wang 等[12]成功開發(fā)負載萬古霉素的半水硫酸鈣/納米羥基磷灰石（nHA）/羧甲基殼聚糖可注射水凝膠支架，將其聯(lián)合經(jīng)細胞片技術(shù)制備的含細胞外基質(zhì)和生長因子的骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSC）片，共同植入慢性骨髓炎動物模型中。結(jié)果顯示，植入負載萬古霉素的水凝膠支架與植入負載萬古霉素聯(lián)合BMSC 的水凝膠支架均取得滿意的骨再生效果和感染控制效果，而后者的骨重建效率更高、骨形態(tài)更好。他們的研究表明，這種新型可注射水凝膠支架可作為抗生素載體及BMSC 支架應(yīng)用于慢性骨髓炎的治療。

類似的支架設(shè)計還有很多。Zhao 等[13]通過靜電紡絲技術(shù)將搭載萬古霉素的沸石咪唑酯骨架-8納米顆粒與聚乙烯醇聯(lián)合，制備出仿細胞外基質(zhì)的電紡納米纖維膜。沸石咪唑酯骨架-8 為一種具有較高比表面積及高孔隙率的金屬有機骨架，是合適的藥物載體，且可在細菌感染的弱酸性環(huán)境中發(fā)生裂解，實現(xiàn)藥物控釋[14]。他們的體外實驗研究顯示，該復(fù)合支架表現(xiàn)出良好的抗菌性能，并成功促進了小鼠胚胎成骨細胞前體細胞的擴散[13]。由Wang 等[15]制備的負載左氧氟沙星的介孔二氧化硅納米顆粒/nHA/聚氨酯復(fù)合支架在慢性骨髓炎動物模型中同樣表現(xiàn)出優(yōu)秀的感染性骨缺損再生效率。此外，介孔二氧化硅納米顆?？勺鳛閜H響應(yīng)性生物材料，被廣泛用于藥物傳輸體系的研究[16]。

盡管將抗生素引入骨組織工程支架可以取得較為理想的結(jié)果，但抗生素對載藥平臺的要求較高，制作也較為復(fù)雜，因此許多學(xué)者將注意力轉(zhuǎn)向一些具有抗菌屬性的生物材料，希望將其作為抗生素替代物發(fā)揮作用，同時減少細菌耐藥性的發(fā)生。研究已證實，納米銀具有廣譜抗菌性能和最小的細菌耐藥性[17]，將納米銀引入組織工程支架可能是抑制骨感染的有效途徑。Paterson 等[18]通過靜電紡絲技術(shù)將含銀的nHA 顆粒和聚己內(nèi)酯共同制備成復(fù)合支架，并對該支架進行生物實驗研究。他們發(fā)現(xiàn)，該支架能有效抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，同時也能增強間充質(zhì)干細胞向成骨細胞的分化。此外，絲膠蛋白、氧化鈣納米顆粒、銅基生物材料等均被證實具有抗菌特性[19-21]。Kundu 等[10]制備了銅/絲膠蛋白金屬有機骨架，該支架在發(fā)揮抗菌作用的同時，還以劑量依賴的方式表現(xiàn)出細胞相容性和成骨活性。

引入天然抗菌劑的設(shè)計策略可能適合于骨髓炎的治療，相較于單純使用抗生素，這種策略可以減輕人體對抗生素的依賴。

2 骨腫瘤相關(guān)骨缺損

惡性骨腫瘤和轉(zhuǎn)移性骨腫瘤的臨床預(yù)后通常較差，為了提高患者生存率，不同治療策略（如手術(shù)、重建、化療、放療等）是必不可少的。盡管如此，由于耐藥性、手術(shù)后腫瘤復(fù)發(fā)、治療的不良反應(yīng)和腫瘤切除后骨再生受損等限制，這些治療方案的有效性已經(jīng)達到平臺期。對于由腫瘤自身侵蝕或手術(shù)切除等導(dǎo)致的骨缺損，組織工程因其組織再生方案設(shè)計的靈活性引起學(xué)者們關(guān)注[22-23]。

有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤相關(guān)骨缺損的組織工程治療策略具有以下優(yōu)勢：第一，組織工程支架可作為骨替代物植入缺損部位，為肢體提供機械支撐的同時，還為組織再生創(chuàng)造空間；第二，支架可通過攜帶免疫調(diào)節(jié)劑或抗原提呈細胞，加強免疫系統(tǒng)對腫瘤細胞的抵抗；第三，支架也可在局部捕獲腫瘤細胞，從而減少或延遲腫瘤復(fù)發(fā)，延長預(yù)期生存時間[24]?？梢姡噍^于傳統(tǒng)治療，骨組織工程用于治療腫瘤相關(guān)骨缺損時，其短期療效和遠期預(yù)后都有較大優(yōu)勢。

對于具體的策略設(shè)計，學(xué)者們主要考慮將腫瘤的局部治療技術(shù)與具有成骨分化潛力的生物材料聯(lián)合起來，共同制備符合預(yù)期結(jié)果的生物支架。Tavares 等[25]將超順磁性氧化鐵納米顆粒添加到羥基磷灰石/殼聚糖/聚乙烯醇中，制備成復(fù)合功能支架。對該支架的性能進行測定后發(fā)現(xiàn)，其能顯著刺激細胞的黏附、增殖以及堿性磷酸酶表達，同時還表現(xiàn)出通過磁熱療抑制腫瘤細胞的可能性，表明這種設(shè)計策略在腫瘤相關(guān)骨缺損治療中具有可能的實施價值。

光熱療法是近年來治療腫瘤的新方法，其利用具有較高光熱轉(zhuǎn)換效率的光熱劑，在外部光源（一般是近紅外光）照射下將光能轉(zhuǎn)化為熱能，進一步殺滅腫瘤細胞[26]。鍶（Sr）、銅（Cu）及硅（Si）等生物活性離子具有增強骨缺損部位血管化及骨再生的作用[27]。Yang 等[28]將光熱轉(zhuǎn)化劑CaCuSi4O10納米片經(jīng)3D 打印技術(shù)與聚己內(nèi)酯共同制備成復(fù)合支架。他們發(fā)現(xiàn)，該支架既可以通過光熱治療促進腫瘤細胞消亡，也能夠促進大鼠BMSC 和人臍靜脈內(nèi)皮細胞的增殖和成骨分化。光熱轉(zhuǎn)化劑二維超薄碳化鈮（Nb2C）MXene 納米片，具有較高的組織穿透深度，能夠高效殺傷腫瘤細胞，而生物降解后釋放的鈮也可以明顯促進缺損部位血管的新生和遷移[29]。Yin 等[30]將這種光熱轉(zhuǎn)化劑納米片集成到3D 打印的生物活性玻璃支架中，經(jīng)體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，使用該復(fù)合支架可明顯殺死腫瘤細胞，并能刺激局部組織血管化及骨再生，血管與骨結(jié)構(gòu)的耦合更是有利于支架逐漸降解后大型骨缺損的快速修復(fù)。這類具有抑制腫瘤進展及局部促進骨重建的雙功能光熱轉(zhuǎn)化劑納米片為腫瘤相關(guān)骨缺損治療提供了更多選擇。

3 骨壞死相關(guān)骨缺損

缺血性骨壞死通常由創(chuàng)傷、糖皮質(zhì)激素治療、長期大量飲酒、減壓病或高脂血癥引起[31]，是骨科的嚴重疾病之一。骨組織缺乏血供時，骨細胞活性也會相應(yīng)降低，這極大限制了骨的自我修復(fù)[32]。隨著病程進展，最終發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的骨質(zhì)破壞。核心減壓、血管移植等臨床技術(shù)已用于骨壞死的早期治療，但通常只能在部分患者中起到改善作用，并不能有效預(yù)防疾病進展。對于終末期骨壞死，通常需要采用關(guān)節(jié)置換術(shù)[33]。有研究表明，組織工程修復(fù)骨壞死的能力接近自體松質(zhì)骨移植，相對于傳統(tǒng)治療方案，其被認為是一種更有潛力的治療選擇[34]。

組織工程治療策略的重心主要在重建壞死區(qū)域血供方面。骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）、轉(zhuǎn)化生長因子、成纖維細胞生長因子(FGF)及胰島素樣生長因子等均被證實在調(diào)節(jié)細胞分化和血管生成方面具有重要作用[35-36]。考慮到生長因子的合成和分泌能力有限，一些學(xué)者開發(fā)出許多基于生長因子表達的基因修飾骨組織工程技術(shù)。Zhang 等[37]用過表達堿性成纖維細胞生長因子基因的慢病毒轉(zhuǎn)染人BMSC 后，與異種抗原提取的松質(zhì)骨共同制備成組織工程骨，并將其植入兔早期股骨頭缺血性壞死模型中，觀察治療效果后發(fā)現(xiàn)，這一方案能有效促進壞死區(qū)域的血管再生及新骨形成。Liao 等[38]探討了VEGF與BMP-6基因聯(lián)合BMSC 治療股骨頭缺血性壞死的能力，他們將轉(zhuǎn)染VEGF和BMP-6的BMSC 與聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLAGA)支架結(jié)合，共同植入股骨頭缺血性壞死動物模型中，發(fā)現(xiàn)與單獨轉(zhuǎn)染VEGF或BMP-6基因相比，該方法具有更明顯的血管生成及新骨形成效應(yīng)。他們的研究表明，利用不同生長因子的協(xié)同成骨及成血管作用，可以明顯提高骨壞死區(qū)域的治療效果。然而，生長因子的應(yīng)用面臨來自安全方面的挑戰(zhàn)，如BMP 的過表達可能誘發(fā)異位骨化發(fā)生，而VEGF 則可能導(dǎo)致血管瘤出現(xiàn)[36]。因此，安全性問題仍是將來研究的重點之一。

近期，F(xiàn)eng 等[39]設(shè)計開發(fā)了一種順序釋放的聚乳酸支架，即內(nèi)層裝載總黃酮，外層裝載三七皂苷，以分別促進成骨和血管生成。他們將其與單層支架（總黃酮和三七皂苷同時嵌入聚乳酸溶液）相比較，發(fā)現(xiàn)該雙層支架具有更好的血管生成和成骨效果。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，VEGF、血小板內(nèi)皮細胞黏附分子-1、骨鈣素、骨橋蛋白及堿性磷酸酶等在雙層支架中的表達均明顯高于單層支架。他們認為，其機制可能是血管生成蛋白和成骨蛋白的表達上調(diào)。這種雙層順序釋放支架的設(shè)計理念為骨缺損修復(fù)提供了新方向，未來該支架也可以應(yīng)用于其他病理環(huán)境的骨缺損治療中。

4 結(jié)語

近年來，組織工程已逐漸成為較大骨缺損或骨再生能力受損的可能治療方案，通過對生物材料支架進行功能化改造，使其能夠更好地滿足不同骨病環(huán)境中骨再生的需求。具體的組織工程設(shè)計策略已顯示出潛在的應(yīng)用價值，不過尚處于研究的初期階段，在正式用于臨床治療前，仍存在一些尚未解決的問題，如新生骨組織是否擁有合格的機械支撐和自我更新能力、新生骨組織能否進行有效造血、針對不同位置的骨骼缺損是否應(yīng)該選擇不同類型的生物材料支架、骨再生是否伴隨安全方面的隱患等，這些問題在今后研究中還應(yīng)結(jié)合生物醫(yī)學(xué)、制造技術(shù)及納米科技等的研究進展持續(xù)探討。