皮膚誘導(dǎo)再生材料的研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)

馬 列,高長(zhǎng)有,李明忠,白 倫,沈家驄

(1.浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系教育部高分子合成與功能構(gòu)造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州 310027)(2.蘇州大學(xué)現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇蘇州 215021)

皮膚誘導(dǎo)再生材料的研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)

馬 列1,高長(zhǎng)有1,李明忠2,白 倫2,沈家驄1

(1.浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系教育部高分子合成與功能構(gòu)造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州 310027)
(2.蘇州大學(xué)現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇蘇州 215021)

高長(zhǎng)有教授

燒傷、機(jī)械創(chuàng)傷等導(dǎo)致的皮膚缺損及功能喪失是常見的臨床難題之一。介紹了皮膚缺損修復(fù)的研究背景和皮膚修復(fù)材料的發(fā)展歷史。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外原位誘導(dǎo)皮膚再生材料研究現(xiàn)狀的分析,總結(jié)了影響皮膚誘導(dǎo)再生材料性能的關(guān)鍵科學(xué)問題,即原位誘導(dǎo)血管化與原位誘導(dǎo)細(xì)胞遷移,并歸納介紹了相應(yīng)的材料設(shè)計(jì)與改性方法。最后根據(jù)皮膚誘導(dǎo)再生材料存在的不足對(duì)未來皮膚誘導(dǎo)再生材料的研究與發(fā)展進(jìn)行了展望。

生物材料;皮膚缺損;誘導(dǎo)再生;血管化;細(xì)胞遷移

皮膚修復(fù)材料的研究背景與發(fā)展歷程

皮膚是人體最大的器官,由表皮、真皮和皮下組織等構(gòu)成,并含有附屬器官(汗腺、皮脂腺、毛囊)以及血管、淋巴管、神經(jīng)等(圖1)[1]。皮膚可避免機(jī)體內(nèi)水分和電解質(zhì)的喪失,保護(hù)機(jī)體免受外界環(huán)境中的輻射以及化學(xué)物質(zhì)、細(xì)菌和病毒的直接危害,調(diào)節(jié)體內(nèi)水分和其它物質(zhì)的平衡,調(diào)節(jié)體溫并感知外界信息的作用[2-3]。然而,大面積暴露于外部環(huán)境的皮膚組織時(shí)刻可能受到損傷,其中燒傷、機(jī)械創(chuàng)傷以及慢性疾病導(dǎo)致的潰瘍(如糖尿病)是造成皮膚缺損及功能喪失的主要原因。據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)估計(jì),中國(guó)每年約有9×106燒傷病人。大面積燒傷、皮膚慢性潰瘍、皮膚癌以及白癜風(fēng)、糖尿病性潰瘍、褥瘡等可以通過皮膚移植來治療的各種疾病都需要有足夠的皮膚進(jìn)行修復(fù),全國(guó)每年需要進(jìn)行皮膚移植的病例大約在3.2×106人次以上。傳統(tǒng)的皮膚修復(fù)材料包括敷料、異種皮移植、異體皮移植和自體皮移植等。迄今為止,自體皮移植仍然是臨床治療全層皮膚缺損最有效的方法。然而對(duì)于大面積燒傷患者,往往存在供皮部位不足的問題,需要經(jīng)過多次移植才能治愈。因此開發(fā)出能有效促進(jìn)創(chuàng)面愈合與皮膚組織再生的皮膚修復(fù)產(chǎn)品具有重要的意義。

圖1 皮膚結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic illustration of skin structure

根據(jù)皮膚的結(jié)構(gòu),皮膚修復(fù)材料可依次分為表皮替代物、真皮替代物和全層皮膚替代物。1975年,Rheinwald和Green首先實(shí)現(xiàn)了表皮細(xì)胞的體外大量擴(kuò)增[4],使表皮層的移植成為可能[5];1981年,O'Connor首次成功地實(shí)現(xiàn)了體外培植的自體表皮細(xì)胞膜片在皮膚創(chuàng)面的移植[6]。該方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于通過一小塊自體皮膚就可以在體外培植大面積的表皮膜片,以用于創(chuàng)面移植。

對(duì)于全層皮膚缺損患者,表皮膜片移植的治愈效果非常有限。在缺少真皮層的情況下,移植的表皮膜片易發(fā)生脫落和產(chǎn)生水皰,而且愈合過程常伴隨疤痕的增生和嚴(yán)重的收縮。因此,真皮層在創(chuàng)面愈合過程中起著非常重要的作用,真皮層的存在能大大減少愈合部位的疤痕產(chǎn)生,降低創(chuàng)面的收縮程度,并且提高其愈合速度[8]。隨著生命科學(xué)、材料科學(xué)以及醫(yī)學(xué)的發(fā)展,組織工程化真皮得到快速發(fā)展。其中Advanced Tissue Sciences公司生產(chǎn)的Dermagraft 是具有代表性的組織工程真皮。將新生兒包皮成纖維細(xì)胞種植于聚乙醇酸/聚乳酸(PGA/PLA)網(wǎng)狀支架中,并于體外培養(yǎng)2～3周,從而在PGA/PLA網(wǎng)狀支架中形成含有膠原、GAG、纖維粘連蛋白和各種生長(zhǎng)因子的真皮基質(zhì),最大程度地仿生模擬真皮組織再生的三維空間結(jié)構(gòu)[7,9]。臨床實(shí)驗(yàn)顯示,應(yīng)用Dermagraft 治療慢性糖尿病患者足部潰瘍的愈合速度明顯快于傳統(tǒng)的覆蓋物。

既有表皮又有真皮的全層組織工程化皮膚由Bell等[10]研究成功,在其工作的基礎(chǔ)上,一種名為Apligraf 的全層組織工程皮膚已經(jīng)被美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)應(yīng)用。Apligraf 無論在外形、生物性能以及代謝行為方面都與人體皮膚組織相近,而且由于其表皮層缺少朗格罕氏細(xì)胞(Langerhans's Cell),其免疫原性非常弱[11]。目前,Apligraf 在糖尿病致的下肢潰瘍和靜脈性下肢潰瘍[12]、新生兒表皮松懈癥[13]、燒傷創(chuàng)面、皮膚切除導(dǎo)致的缺損等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

近年來,皮膚修復(fù)再生材料的研究在我國(guó)也逐漸引起人們的重視,國(guó)內(nèi)多家高等院校、科研院所與醫(yī)療機(jī)構(gòu)也相繼在組織工程化人工皮膚的研究中進(jìn)行了卓有成效的探索與嘗試,取得了積極的成果。上海第九人民醫(yī)院的曹誼林[14]以PGA為主要材料,復(fù)合患者自體細(xì)胞,研制了一種組織工程化皮膚。馬建標(biāo)等[15]以殼聚糖為主要材料,開發(fā)了能促進(jìn)人成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)的海綿狀人工真皮。第四軍醫(yī)大學(xué)的金巖[16]利用人成纖維細(xì)胞和表皮細(xì)胞在膠原凝膠中的復(fù)合種植,成功構(gòu)建了一種類Apligraf 的組織工程雙層皮膚替代物。張其清等[17]采用膠原凝膠構(gòu)建了一種凝膠型人工真皮,胎兒真皮成纖維細(xì)胞在凝膠真皮中增殖速度快,活性高,分泌細(xì)胞外基質(zhì)豐富。

原位誘導(dǎo)皮膚再生材料的研究進(jìn)展

由于組織工程化皮膚存在種子細(xì)胞來源、免疫源性以及儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)壤щy,至今仍未獲得大規(guī)模的應(yīng)用。近年來,隨著再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展,原位誘導(dǎo)再生的思想逐步得到認(rèn)同和重視。皮膚的原位誘導(dǎo)再生是指不添加任何細(xì)胞,僅憑材料自身的特性(如孔結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、特異性蛋白位點(diǎn)以及活性信號(hào)等)達(dá)到原位誘導(dǎo)創(chuàng)面細(xì)胞及血管長(zhǎng)入、分泌細(xì)胞外基質(zhì)、重構(gòu)皮膚的結(jié)構(gòu)和功能的目的,實(shí)現(xiàn)皮膚再生。

最早的皮膚誘導(dǎo)再生材料是由Burke和Yannas等在上世紀(jì)80年代初研制成功,并于1996年成為商品化的產(chǎn)品——Integra (Integra Life Sciences)[18]。Integra 由兩層結(jié)構(gòu)組成,其真皮部分主要是由戊二醛交聯(lián)的膠原/6-硫酸軟骨素共沉淀物構(gòu)建的三維多孔支架組成,通過多孔支架引導(dǎo)創(chuàng)面區(qū)成纖維細(xì)胞的長(zhǎng)入和細(xì)胞外基質(zhì)的分泌來形成血管化的再生真皮組織(圖2)。臨床應(yīng)用的結(jié)果顯示,Integra 誘導(dǎo)再生的真皮組織具有典型的乳突狀結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),而且愈合創(chuàng)面無疤痕組織增生[19]。該產(chǎn)品于1996年獲得了FDA臨床使用的許可,歐洲和加拿大等國(guó)家和地區(qū)的衛(wèi)生部門也在同年批準(zhǔn)該產(chǎn)品可臨床使用。

圖2 Integra的大體形貌(a)和結(jié)構(gòu)特征(b)Fig.2 Macroscopic shape(a)and micro structure(b)of the Integra

Integra因不含活細(xì)胞,貯存、運(yùn)輸簡(jiǎn)單,無傳染疾病的風(fēng)險(xiǎn)。一般認(rèn)為[20-21],Integra在體內(nèi)起了一個(gè)再生模板的作用,其獨(dú)特的孔徑結(jié)構(gòu)和組成限制成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞分化,從而抑制瘢痕創(chuàng)面形成。其中,GAG成分可降低膠原免疫原性,減輕炎性反應(yīng)促進(jìn)血管化形成。也有學(xué)者認(rèn)為,Integra通過預(yù)先減輕和阻斷炎性愈合過程而達(dá)到再生愈合過程。

Alloderm是一種商品化的脫細(xì)胞真皮基質(zhì),也具有原位再生皮膚缺損的功能,Kopp[22]經(jīng)過對(duì)67例燒傷患者多中心對(duì)照實(shí)驗(yàn)證實(shí),該產(chǎn)品的應(yīng)用效果相當(dāng)于薄的自體韌厚移植物加上異體真皮基質(zhì)或是相當(dāng)于單獨(dú)移植自體韌厚皮片。Callcut[23]認(rèn)為Alloderm具有可立即使用、易消毒和儲(chǔ)存、成活率高等優(yōu)點(diǎn)。

我國(guó)在皮膚誘導(dǎo)再生材料領(lǐng)域已開展多年的研究,但是目前多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段,尚無商業(yè)化產(chǎn)品。浙江大學(xué)高長(zhǎng)有、馬列[24-25]等通過對(duì)皮膚雙層結(jié)構(gòu)的仿生模擬,研制了一種膠原-殼聚糖/硅橡膠皮膚再生材料(圖3)。該皮膚誘導(dǎo)再生材料的多孔支架層以細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)主要成分——膠原為原料,同時(shí)添加具有良好抗菌、促進(jìn)傷口愈合以及促進(jìn)上皮細(xì)胞生長(zhǎng)性能的天然生物材料——?dú)ぞ厶?起到誘導(dǎo)真皮再生的作用。硅橡膠層則作為臨時(shí)表皮層起到隔離外界環(huán)境、避免細(xì)菌侵入及防止水分蒸發(fā)的作用。該皮膚誘導(dǎo)再生材料具有原位使用、原位誘導(dǎo)、避免種子細(xì)胞使用的局限性和安全隱患等特點(diǎn)。

圖3 膠原-殼聚糖/硅橡膠雙層支架的宏觀形貌(a)和顯微結(jié)構(gòu)(b)Fig.3 Macroscopic morphology(a)and micro structure(b)of collagen-chitosan/silicone-rubber bilayer scaffold

該皮膚誘導(dǎo)再生材料在細(xì)胞毒性、致敏性、刺激性、熱原性、溶血率、遺傳毒性以及亞慢性毒性等7個(gè)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家三類醫(yī)療器械的標(biāo)準(zhǔn),具有良好的生物安全性。以巴馬小型豬為動(dòng)物模型,評(píng)價(jià)了該材料的原位誘導(dǎo)皮膚再生性能。結(jié)果顯示,再生材料不引起明顯炎癥反應(yīng),移植7 d后即可觀察皮膚成纖維細(xì)胞的誘導(dǎo)長(zhǎng)入。28 d后可見大量成纖維細(xì)胞長(zhǎng)入和血管生成,能有效降低創(chuàng)面肉芽組織增生。移植成功率達(dá)94%,證明所研究的材料能有效誘導(dǎo)真皮的再生,控制攣縮,提高創(chuàng)面愈合速度,增加創(chuàng)面愈合后皮膚的彈性、柔軟性及機(jī)械耐磨性,降低疤痕組織的形成。真皮再生后移植表皮,發(fā)現(xiàn)2周后表皮也成活了,從而實(shí)現(xiàn)了全厚皮缺損修復(fù)(圖4)。

圖4 皮膚誘導(dǎo)再生材料修復(fù)全厚皮缺損的組織切片圖:(a)真皮再生材料移植2周后的組織切片圖,(b)再移植超薄皮片的大體觀察圖,(c)超薄皮片移植2周后的組織切片圖Fig.4 Histological section during full thickness skin loss repaired by skin induced-regereration material:(a)histological section of a collagen-chitosan scaffold after transplantation for2 weekson pig skin,(b)gross view of the wound during the ultra-thin grafting,and(c)histological section of after ultra-thin derma grafting for 2 weeks

蘇州大學(xué)李明忠、白倫等以蠶絲蛋白為材料[26-27],研制了一種蠶絲蛋白皮膚再生材料。該皮膚再生材料由上層(“表皮”層)和下層(“真皮”層)組成,其中“真皮”層是由冷凍干燥法制備的孔徑為30～100μm的再生絲素蛋白多孔材料,“表皮”層是經(jīng)過改性的合成高分子膜。該蠶絲蛋白皮膚再生材料適用于深度燒傷創(chuàng)面真皮組織的修復(fù)重建。移植到真皮缺損創(chuàng)面后,“真皮”層能誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞等修復(fù)細(xì)胞長(zhǎng)入,引導(dǎo)真皮組織的再生,在真皮形態(tài)和功能修復(fù)過程中蠶絲蛋白皮膚再生材料的“真皮”層逐步被降解吸收;“表皮”層能防止細(xì)菌侵入和體液大量流失,為真皮形態(tài)和功能的修復(fù)營(yíng)造良好的環(huán)境,同時(shí)由于上層具備良好的力學(xué)性能,可滿足臨床手術(shù)操作和人體正?；顒?dòng)的需要。對(duì)蠶絲蛋白皮膚再生材料的生物學(xué)性能進(jìn)行的一系列檢測(cè)結(jié)果表明,蠶絲蛋白皮膚再生材料無細(xì)胞毒性、致敏性、刺激性、抗原性、遺傳毒性及亞慢/亞急性毒性,具有良好的生物相容性。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明,該材料與創(chuàng)面組織黏附良好,成纖維細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞等組織修復(fù)細(xì)胞能夠沿多孔絲素材料孔隙遷入并向內(nèi)生長(zhǎng),真皮層多孔絲素材料的血管化速度快,炎性細(xì)胞浸潤(rùn)少,新生真皮的組織形態(tài)與正常真皮相似。

皮膚原位誘導(dǎo)再生的關(guān)鍵科學(xué)問題與材料設(shè)計(jì)

. 原位誘導(dǎo)血管化

皮膚的首要功能是將機(jī)體組織與外界環(huán)境隔絕,起到保護(hù)屏障的作用。當(dāng)皮膚大面積喪失時(shí),可能導(dǎo)致殘疾以致死亡。創(chuàng)傷修復(fù)處理的首要目標(biāo)是使傷口快速閉合,其次是重建具有功能的、形態(tài)結(jié)構(gòu)完善的皮膚組織。傷口愈合是一個(gè)復(fù)雜的生物過程,包括炎癥、有絲分裂、血管新生、細(xì)胞外基質(zhì)的合成和重塑[28]。一般情況下,皮膚修復(fù)過程中,早期植入的皮片主要依靠吸收創(chuàng)面滲出的血漿進(jìn)行營(yíng)養(yǎng),但很快新生的毛細(xì)血管就與皮片內(nèi)原有的血管網(wǎng)溝通,建立移植皮膚賴以成活的血液循環(huán)系統(tǒng)。人工構(gòu)建皮膚誘導(dǎo)再生材料不具備血管化結(jié)構(gòu),移植后的成活率不如活體皮膚。因此,如何實(shí)現(xiàn)皮膚誘導(dǎo)再生材料的快速血管化是決定皮膚誘導(dǎo)再生性能的關(guān)鍵。

研究顯示,皮膚組織的修復(fù)過程往往是多種細(xì)胞協(xié)同作用的結(jié)果,而細(xì)胞的增殖遷移以及細(xì)胞外基質(zhì)分泌等行為需要通過生長(zhǎng)因子、激素等活性因子的信號(hào)調(diào)控來實(shí)現(xiàn)。基于再生醫(yī)學(xué)中“原位誘導(dǎo)再生”思想的新一代皮膚再生材料的功能發(fā)揮更是離不開這些“活性誘導(dǎo)因子”。因此,復(fù)合各類活性因子的皮膚支架有望克服傳統(tǒng)皮膚再生材料“活性”不足、血管化速度慢的缺點(diǎn)。需要指出的是,這些活性因子除了上面所提的生長(zhǎng)因子和激素外,還包括活性多肽序列以及具有編碼特定蛋白質(zhì)功能的基因。

3.1.1 偶聯(lián)活性多肽

活性多肽通常指的是包含在細(xì)胞外基質(zhì)組分中的特定多肽序列。這些序列往往能與細(xì)胞膜表面某些糖蛋白受體發(fā)生特異性作用,調(diào)控細(xì)胞的黏附、生長(zhǎng)、遷移等行為。大量研究工作致力于活性多肽雜化表面的構(gòu)建以及活性多肽復(fù)合支架的制備,并考察其對(duì)皮膚修復(fù)過程相關(guān)細(xì)胞的影響。

RGD(精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸)多肽已被證明是增進(jìn)細(xì)胞黏附的有效配體。Olbrich等[29]發(fā)現(xiàn)成纖維細(xì)胞在含有RGD的玻璃表面的黏附率提高,但遷移速度下降。這對(duì)于活性多肽復(fù)合支架的設(shè)計(jì)有所啟發(fā),因?yàn)槠つw組織的修復(fù)往往需要成纖維細(xì)胞向支架內(nèi)部的大量遷移侵入。材料表面的RGD密度是影響細(xì)胞遷移行為的重要因素。目前在材料中引入RGD序列的常用方法有兩種:①在材料表面固定RGD多肽序列;②人工合成含RGD支鏈的聚合物。

有研究發(fā)現(xiàn),培養(yǎng)基質(zhì)中的蠶絲蛋白組分有促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖的作用。Hiromi Yamada等[30]采用胰酶消化、色譜分離、氨基酸測(cè)序的實(shí)驗(yàn)方法證明:蠶絲蛋白中具有生物活性的區(qū)域是重鏈靠近N端的兩個(gè)多肽序列V ITTDSDGNE和N INDFDED。這兩種多肽序列在促進(jìn)細(xì)胞增殖方面具有協(xié)同作用。因此,人工合成的這兩種多肽可作為活性位點(diǎn)整合到皮膚再生材料中,賦予材料更好的修復(fù)與再生性能。

3.1.2 復(fù)合生長(zhǎng)因子

生長(zhǎng)因子是一類與細(xì)胞行為有關(guān)的信號(hào)物質(zhì)。皮膚再生過程的血管化、膠原基質(zhì)分泌以及表皮層的重建等過程都與生長(zhǎng)因子的種類、分泌量及其分布有關(guān)。將生長(zhǎng)因子及其載體系統(tǒng)與皮膚支架相結(jié)合的研究思想已被眾多科學(xué)家所認(rèn)可,近來涌現(xiàn)出諸多報(bào)道。所涉及的因子種類包括:堿性(酸性)成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(bFGF(aFGF))、血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子(VEGF)、血小板源性生長(zhǎng)因子(PDGF)以及轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子TGF-β等;負(fù)載方法包括物理吸附、化學(xué)固定、微載體復(fù)合等。微載體的引入是為了克服生長(zhǎng)因子易失活、在體內(nèi)半衰期短的不足,載體體系可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生長(zhǎng)因子的保護(hù)并滿足特定部位對(duì)因子劑量和作用時(shí)間的需求。

bFGF是體內(nèi)有效的血管形成因子之一,它對(duì)于新生血管形成過程中的多個(gè)環(huán)節(jié)如毛細(xì)血管基底膜降解、內(nèi)皮細(xì)胞遷移增生、膠原合成、小血管腔形成等均有明顯促進(jìn)作用,對(duì)于感染傷口、燒傷創(chuàng)面等的治療有著重要的作用。Katsuya Kawai等[31]以乳液法制得平均粒徑為40μm的多孔明膠微球,bFGF灌注吸附在明膠微球中。復(fù)合bFGF的明膠微球懸液注射到商品化的膠原真皮支架中(圖5)。進(jìn)一步體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:微球起到了控釋生長(zhǎng)因子的作用,使得bFGF的有效釋放可持續(xù)10 d,進(jìn)而促進(jìn)了成纖維細(xì)胞的增殖和新生血管的形成。韓春茂等利用肝素對(duì)血管生成素的特異性結(jié)合作用,將血管生成素固定于肝素化改性的膠原/殼聚糖真皮支架上。動(dòng)物體內(nèi)埋植實(shí)驗(yàn)顯示,結(jié)合了血管生成素的真皮支架能更快地實(shí)現(xiàn)血管化(圖6)。

圖5 含明膠微球的人工真皮SEM照片F(xiàn)ig.5 SEMimage of artificial skin having gelatin microspheres

3.1.3 復(fù)合功能基因

生長(zhǎng)因子雖然具有效果直接、顯著等優(yōu)點(diǎn),但是由于生長(zhǎng)因子活性半衰期短,穩(wěn)定性差,在體內(nèi)易受環(huán)境溫度以及各種酶的作用而喪失活性。體內(nèi)直接使用生長(zhǎng)因子還存在劑量難以精確控制、易出現(xiàn)短期局部高劑量釋放,進(jìn)而引發(fā)創(chuàng)面癌變等問題。

近年來,隨著基因治療新技術(shù)的發(fā)展,將基因治療技術(shù)與組織工程技術(shù)相結(jié)合,通過基因體外或者原位轉(zhuǎn)染以獲得高活性支架的研究思想已經(jīng)逐步獲得認(rèn)可和重視。這一類組織工程支架被稱為基因活性支架(Gene—ActivatedMatrix),是目前組織工程支架研究中的重要發(fā)展方向之一。針對(duì)皮膚修復(fù)與再生的問題,通過將編碼各種活性因子的基因與組織工程皮膚支架復(fù)合,利用愈合過程中創(chuàng)面細(xì)胞有絲分裂活躍的特點(diǎn),在移植過程中原位轉(zhuǎn)染創(chuàng)面細(xì)胞,從而原位表達(dá)活性因子,可實(shí)現(xiàn)對(duì)創(chuàng)面修復(fù)再生過程的調(diào)控。鑒于裸DNA穩(wěn)定性差,在傳輸過程中易被降解和清除的特點(diǎn),組織工程中基因治療的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)和制備具有高穩(wěn)定性和高轉(zhuǎn)染效率的基因傳遞系統(tǒng)。

JohnW.Tyrone等[32]將表達(dá)PDGF-BB的質(zhì)粒DNA負(fù)載到膠原支架上,以兔耳背潰瘍?yōu)槟Ｐ瓦M(jìn)行研究。研究表明,DNA有效轉(zhuǎn)染了侵入支架的細(xì)胞并表達(dá)了PDGF-BB,促進(jìn)了粒狀組織的形成、創(chuàng)面表皮的生長(zhǎng)以及創(chuàng)面的閉合。Angela Kim等[33]采用PDGF質(zhì)粒與透明質(zhì)酸溶液混合凍干的方法得到復(fù)合DNA的真皮再生支架,并對(duì)支架進(jìn)行了交聯(lián)處理。研究表明,DNA從HA支架中的釋放動(dòng)力學(xué)依賴于DNA的負(fù)載量以及支架的交聯(lián)程度;支架起到了對(duì)DNA的保護(hù)與控釋作用。質(zhì)粒有效轉(zhuǎn)染了細(xì)胞并分泌PDGF;PDGF可有效促進(jìn)人真皮成纖維細(xì)胞(HDFs)的增殖。

圖6 肝素接枝真皮支架的血管生成素結(jié)合量與濃度的關(guān)系(a),肝素化改性(b)和未改性支架(c)的體內(nèi)血管化性能比較(箭頭表示血管)Fig.6 Relationship between the concentration of angiogenin and its binding capacity on the heparin modified collagen-chitosan scaffold(a),angiogenesis of the heparin modified(b),and unmodified collagen-chitosan(c)scaffolds after embedded for 2 weeks.arrows expressing blood vessels

表皮生長(zhǎng)因子(EGF)對(duì)于表皮細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖具有重要意義。它可強(qiáng)力促進(jìn)表皮細(xì)胞增殖,并刺激其分化成熟,從而推動(dòng)傷口再上皮化;同時(shí)還可以促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的遷移。Jan Jeroen Vranckx等[34]以商業(yè)化的載體lipofectin將編碼人表皮生長(zhǎng)因子(hEGF)的質(zhì)粒轉(zhuǎn)染到同種異體角阮細(xì)胞中并進(jìn)行體外培養(yǎng),形成大量表達(dá)hEGF的細(xì)胞懸液。該細(xì)胞懸液作為外源性的hEGF“供應(yīng)倉(cāng)庫(kù)”直接注射或與支架結(jié)合后植入創(chuàng)面。實(shí)驗(yàn)表明,創(chuàng)面修復(fù)過程得到有效促進(jìn)。Chen等[35-36]將可表達(dá)PDGF的基因質(zhì)粒與透明質(zhì)酸凝膠復(fù)合,通過從凝膠中釋放,在創(chuàng)面區(qū)原位轉(zhuǎn)染成纖維細(xì)胞,提高了成纖維細(xì)胞的PDGF的表達(dá)水平,達(dá)到促進(jìn)纖維組織形成,加快血管化和表皮化的目的。

3.1.4 藥物及多種活性因子的協(xié)同作用

抗菌藥物可減少創(chuàng)面感染,為皮膚組織的修復(fù)提供良好環(huán)境。多肽、生長(zhǎng)因子、基因等多種活性因子在組織修復(fù)與再生過程的各個(gè)階段發(fā)揮不同的調(diào)控作用,并可能呈現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。因此,將藥物及多種因子復(fù)合應(yīng)用到皮膚再生材料中,有望提高皮膚修復(fù)與再生的質(zhì)量。

Katsuko Furukawa等[37]通過多種藥物及外源活性因子的添加(胰島素、氟美松、抗壞血酸、bFGF等),在體外成功構(gòu)建了具有高成纖維細(xì)胞密度的真皮支架,形成了高密度細(xì)胞聚集體。PCR實(shí)驗(yàn)表明,若將這類由外源性因子誘導(dǎo)形成的細(xì)胞聚集體培養(yǎng)在可降解的聚合物支架中,相比低細(xì)胞密度的支架,可表達(dá)更高水平的TGF-β3,有利于缺損真皮的修復(fù)。

Sung Ran Hong[38]將抗生素Silver sulfadiazine(AgSD)和表皮生長(zhǎng)因子EGF共同負(fù)載到明膠/透明質(zhì)酸支架中,以小鼠為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?研究這兩類活性物質(zhì)的加入對(duì)修缺損皮膚創(chuàng)面修復(fù)的作用。以單克隆抗體PC10對(duì)PCNA進(jìn)行免疫組化染色,以研究上皮細(xì)胞的增殖。研究表明,抗生素和EGF的協(xié)同作用可有效降低免疫反應(yīng)并促進(jìn)受損皮膚的修復(fù)。但是EGF的促表皮生長(zhǎng)的活性在一周以后即喪失。因此,一種起到緩釋作用的生長(zhǎng)因子載體顯得十分必要。

Heathe Waldeck[39]以RGD修飾Gelatin,同時(shí)復(fù)合角阮細(xì)胞生長(zhǎng)因子(KGF),并利用光引發(fā)聚合在創(chuàng)面原位形成具有生物活性的IPN支架。小鼠全層皮膚缺損模型研究證明:該活性材料體系在創(chuàng)傷修復(fù)早期起到抑制收縮的作用,更好地誘導(dǎo)了細(xì)胞外基質(zhì)重建和新生組織血管化(圖7中NV為新生血管,E為表皮)。

圖7 移植3周后的HE切片圖:(a)RGD修飾的IPN+KGF界面,(b)未改性的明膠IPN界面,(c)傳統(tǒng)敷料界面Fig.7 Photo micrographs of(a)RGD modified IPNtKGF interface,(b)unmodified gelatin IPN interface,and(c)conventional dressing interface(region directed with NV expressing new grown blood vessel,region directed with E expressing epidermis)

. 原位誘導(dǎo)細(xì)胞遷移

3.2.1 皮膚創(chuàng)傷修復(fù)的過程與機(jī)理

皮膚創(chuàng)傷的修復(fù)是一個(gè)復(fù)雜有序、高度協(xié)調(diào)的過程,每個(gè)階段都受到機(jī)體精確的調(diào)控。目前認(rèn)為,創(chuàng)傷修復(fù)是多種修復(fù)細(xì)胞和生長(zhǎng)因子共同參與,并與細(xì)胞外基質(zhì)相互作用的動(dòng)態(tài)過程。其中,修復(fù)細(xì)胞包括了成纖維細(xì)胞(Fibroblast)、血管內(nèi)皮細(xì)胞(Vascular Endothelium Cell)以及巨噬細(xì)胞(Macrophage)、白細(xì)胞(Leucocyte)等炎癥細(xì)胞[40],而生長(zhǎng)因子則有PDGF,TGF-β,EGF、VEGF、bFGF、類胰島素生長(zhǎng)因子(IGF)、角質(zhì)細(xì)胞生長(zhǎng)因子(KGF)和神經(jīng)生長(zhǎng)因子(NGF)等等[41-42]。

皮膚損傷修復(fù)初期,局部發(fā)生炎癥反應(yīng),血小板和紅細(xì)胞數(shù)量增加,血栓形成。炎癥部位產(chǎn)生大量的細(xì)胞因子,這些因子作為化學(xué)趨化劑選擇性地介導(dǎo)中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞先后向炎癥部位遷移,發(fā)生區(qū)域性聚集,起到吞噬清創(chuàng)、產(chǎn)生蛋白酶、釋放生長(zhǎng)因子和抗原加工等作用[43]。

修復(fù)的中期(約3 d后),內(nèi)皮細(xì)胞先遷移到受損部位形成新生血管。接著血小板、炎癥細(xì)胞和活化了的血管內(nèi)皮細(xì)胞會(huì)釋放生長(zhǎng)因子,如TGF-β,EGF,FGF和促纖維化細(xì)胞因子(如 IL-1和TNF-α)等,這些因子能誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞逐漸向創(chuàng)傷中心遷移,形成肉芽組織。此外,生長(zhǎng)因子還可以通過抑制膠原酶等的活性,減少細(xì)胞外基質(zhì)的降解,促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì),如I型膠原、纖維連接蛋白等的大量分泌和合成,填補(bǔ)組織缺損[44]。

創(chuàng)傷愈合最后的過程(約兩周后)是組織改建。成纖維細(xì)胞在多種細(xì)胞因子的誘導(dǎo)作用下,大量轉(zhuǎn)換為收縮表型,即肌成纖維細(xì)胞(Myofibroblast,MFb),并通過成纖維細(xì)胞表面的整合素調(diào)節(jié)ECM,即通過其偽足的伸出、回縮而收縮其周圍的膠原基質(zhì),使傷口發(fā)生收縮。另一方面,成纖維細(xì)胞通過分泌基質(zhì)金屬蛋白(MatrixMetalloproteinases,MMPs)及其組織抑制劑(Tissue Inhibitor ofMetalloproteinases,T IMPs)來調(diào)控舊膠原的降解和新膠原的重排和沉積[44]。

由創(chuàng)傷修復(fù)過程可知,細(xì)胞遷移是關(guān)系創(chuàng)傷修復(fù)效果的關(guān)鍵細(xì)胞行為之一。因此,賦予材料原位誘導(dǎo)和調(diào)控細(xì)胞遷移的性能,是實(shí)現(xiàn)材料原位誘導(dǎo)皮膚再生的重要途徑。

3.2.2 細(xì)胞遷移的運(yùn)動(dòng)機(jī)理與調(diào)控因素

細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)由細(xì)胞骨架、細(xì)胞膜和信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)共同參與的相當(dāng)復(fù)雜的過程。通常來講,細(xì)胞遷移是一個(gè)往復(fù)循環(huán)的過程,每個(gè)周期可以分成細(xì)胞前端突出、偽足與基底的粘著、細(xì)胞體收縮和前移、細(xì)胞尾部釋放四個(gè)步驟。

在均勻的環(huán)境中,細(xì)胞呈現(xiàn)無規(guī)行走。而將細(xì)胞置于一個(gè)不對(duì)稱的環(huán)境,如化學(xué)或物理信號(hào)梯度中時(shí),細(xì)胞膜和細(xì)胞骨架會(huì)重新排布,顯示出極化的狀態(tài),細(xì)胞的前端與后端差異顯著[45]。在化學(xué)引誘劑的濃度梯度中,細(xì)胞膜表面的受體出現(xiàn)前多后少的分布狀況,梯度信號(hào)因此而被放大并固定在細(xì)胞上[46-47]。沿著梯度,細(xì)胞與基底配體濃度高的一端結(jié)合的更牢,于是在一個(gè)細(xì)胞長(zhǎng)度范圍內(nèi),細(xì)胞頭尾兩端粘附力的差異驅(qū)動(dòng)著細(xì)胞向高濃度一端爬移[48]。這種細(xì)胞能夠感知固定在表面的趨化因子的濃度差異而發(fā)生遷移的能力稱為趨觸性(hapotaxis)。此外,大量的研究表明,細(xì)胞同樣可以響應(yīng)于物理機(jī)械信號(hào)梯度而發(fā)生遷移,如粗糙度或表面硬度(durotaxis)。隨著基底的模量增加,細(xì)胞鋪展得更好,所受牽引力也隨之增大,引導(dǎo)了細(xì)胞往模量高的方向遷移。

3.2.3 梯度表面的設(shè)計(jì)

梯度材料是指材料的化學(xué)組成、物理結(jié)構(gòu)或拓?fù)湫蚊苍诳臻g上發(fā)生連續(xù)變化的一種材料。在皮膚損傷修復(fù)過程中,血小板和巨噬細(xì)胞釋放的PDGF在組織中形成濃度梯度,作為化學(xué)引誘劑和促有絲分裂劑誘導(dǎo)真皮成纖維細(xì)胞侵入創(chuàng)口的纖維蛋白凝塊中并大量增殖[49-50]。梯度材料將誘導(dǎo)因子以共價(jià)鍵形式梯度固定于皮膚再生材料表面,從而達(dá)到在體外模擬生物體細(xì)胞微環(huán)境的目的,實(shí)現(xiàn)成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞的原位誘導(dǎo)遷移和皮膚組織的再生。

(1)化學(xué)信號(hào)梯度

再生醫(yī)學(xué)中的化學(xué)信號(hào)梯度材料通常是指材料表面所固定的生物大分子的濃度的梯度,包括細(xì)胞外基質(zhì)蛋白、各類生長(zhǎng)因子和活性多肽,如RGD。細(xì)胞通過細(xì)胞膜表面的αvβ1整合素與基底所固定的配體特異性結(jié)合,感受到這種濃度的變化,并引發(fā)一系列的信號(hào)傳導(dǎo)途徑而發(fā)生遷移。

RGD濃度梯度 眾所周知,RGD序列是增進(jìn)細(xì)胞粘連的有效配體,因而可在生物材料表面引入RGD序列。引入RGD序列的方法?？煞譃閮深?①在材料表面直接固定RGD肽序列[51-53];②形成聚合物-RGD肽鏈雜化分子[54-56]。Catherine用程序控制的注射泵將丙烯酸溶液和丙烯酸-RGD溶液以設(shè)定的比例梯度混合,注入石英器皿,紫外光交聯(lián)得到RGD濃度梯度水凝膠。在這種梯度表面種植成纖維細(xì)胞,細(xì)胞定向規(guī)整排列,80%的細(xì)胞與梯度方向的夾角小于20°。而在RGD的均勻表面上,細(xì)胞在各個(gè)方向上的無規(guī)排列[55]。Solitaire在PEG-RGD的濃度呈梯度變化的PEG水凝膠表面也觀察到了同樣的結(jié)果。人真皮成纖維細(xì)胞沿著梯度方向排列,且隨著培養(yǎng)時(shí)間增長(zhǎng),細(xì)胞的取向更加規(guī)整。更為重要的結(jié)果是在RGD梯度表面,細(xì)胞的沿著梯度向濃度高的一端遷移的距離遠(yuǎn)大于均勻表面[56](圖8)。

圖8 梯度RGD水凝膠的制備示意圖(a),RGD均一水凝膠表面的成纖維細(xì)胞(b),梯度水凝膠內(nèi)取向的成纖維細(xì)胞(c)Fig.8 Gradient hydrogelswere formed using a gradientmaker as depicted above in combination with a peristaltic pump(a),More fibroblasts were aligned on hydrogel surfaceswith a 0-1 gradient of tethered RGD(indicated by arrow)(c)than on hydrogel surfacescontaining RGD at a constant concentration(b)

細(xì)胞外基質(zhì)濃度梯度 細(xì)胞膜表面存在著一種跨膜糖蛋白—α β整合素,可以識(shí)別細(xì)胞外基質(zhì)成分并與之結(jié)合。整合素有很多種類,可以與不同的配體特異性結(jié)合。ECM中的蛋白質(zhì)就是通過整合素連接到細(xì)胞內(nèi)骨架蛋白如肌動(dòng)蛋白等,并將信息傳導(dǎo)到細(xì)胞內(nèi),調(diào)控細(xì)胞的行為[57-59]。纖維粘連蛋白中含有RGD的位點(diǎn),能與細(xì)胞膜表面的整合素α5β1和α4β1結(jié)合[60],而膠原能與α2β1結(jié)合[61],從而介導(dǎo)細(xì)胞的遷移。Rico等人用微流體通道產(chǎn)生層粘連蛋白的濃度梯度表面[62],以及層粘連蛋白(LN)和I型膠原的復(fù)合梯度[63]。對(duì)于內(nèi)皮細(xì)胞而言,提高LN的濃度并不一定能增加細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)性,而是在適中的濃度時(shí)達(dá)到最大的遷移速率。因?yàn)?LN濃度低時(shí),細(xì)胞錨著的位點(diǎn)少,得不到足夠大的牽引力。但是當(dāng)表面LN密度高的時(shí)候,細(xì)胞鋪展良好,前端與后端的錨著力沒有明顯差異,細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)也就失去了方向性。另一方面,提高梯度的變化斜率,對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞的遷移速率也沒有明顯的影響。

生長(zhǎng)因子濃度梯度 迄今為止,很多的研究表明,以共價(jià)鍵形式固定于材料上的生長(zhǎng)因子仍能夠保持較高的活性[64-65]。常用的生長(zhǎng)因子有表皮生長(zhǎng)因子(EGF)[64,66],成纖維生長(zhǎng)因子(FGF)[67]和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)[68]等。以EGF為例,EGF可以誘導(dǎo)非遷移性的細(xì)胞轉(zhuǎn)化為遷移性細(xì)胞,甚至可以激活某些整合素來促進(jìn)遷移。如癌細(xì)胞表面的整合素αvβ5只能介導(dǎo)細(xì)胞的粘附而不參與細(xì)胞在玻纖蛋白上的遷移,但是通過EFG的激活,細(xì)胞不但可以在玻纖蛋白上進(jìn)行遷移,而且其在膠原基質(zhì)上的運(yùn)動(dòng)性不受影響。Liu[68]等人利用電解法,即通過金的氧化還原控制硫醇的吸附和脫附,產(chǎn)生硫醇的濃度梯度。利用羧基固定纖連蛋白或VEGF。然后在產(chǎn)生的FN、VEGF以及兩者的復(fù)合梯度表面種植牛動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞,24h后結(jié)果表明無論是纖連蛋白還是VEGF,或是兩者結(jié)合的梯度表面,細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)性均要強(qiáng)于均勻表面。細(xì)胞在VEGF的梯度表面比在FN梯度表面運(yùn)動(dòng)性增加了兩倍,而在兩者結(jié)合的梯度表面比在VEGF的梯度表面細(xì)胞運(yùn)動(dòng)性又增加了兩倍。

(2)物理機(jī)械信號(hào)梯度

調(diào)控細(xì)胞響應(yīng)的生物材料界面的研究集中于表面化學(xué)和拓?fù)鋱D案。直到最近幾年,科學(xué)家們的研究發(fā)現(xiàn)材料表面的機(jī)械性能——模量也能影響細(xì)胞的行為[69-71]。制備模量梯度材料最直接的方法就是控制不同位置的交聯(lián)密度,因此,從化學(xué)組成來講,它實(shí)質(zhì)上是指交聯(lián)劑的濃度梯度。而目前絕大部分的表面模量梯度都是選用聚丙烯酰胺(PAAM)為基底,雙官能度的丙烯酰胺為交聯(lián)劑。

Nadia等人采用微流體技術(shù)產(chǎn)生雙官能度的丙烯酰胺濃度梯度溶液,在紫外光照射下原位交聯(lián)成凝膠,得到模量梯度材料[69]。在材料表面接枝一層I型膠原后種植血管平滑肌細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞在硬度高的區(qū)域鋪展良好,而在軟的區(qū)域,細(xì)胞形態(tài)更接近圓形。用高分辨率顯微鏡觀察,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞骨架亦存在差異,前者細(xì)胞內(nèi)的F-肌動(dòng)蛋白微絲結(jié)構(gòu)精細(xì),而后者的細(xì)胞骨架雜亂無章排列。因此,細(xì)胞的粘附行為受表面模量的調(diào)控,更趨向于在硬的區(qū)域粘附,其數(shù)量也從硬的一端向軟的一端逐漸減少。Chun-Min Lo等制備了一種兩段式的表面,在軟、硬的交界處有一段50～100μm寬的梯度過渡區(qū)域。在其上培養(yǎng)3T3成纖維細(xì)胞15 h后,用顯微鏡記錄細(xì)胞運(yùn)動(dòng)。若細(xì)胞最初種于軟端,則能夠沿著梯度穿越邊界而到達(dá)硬端,但是,如果細(xì)胞最初處于硬的一端,細(xì)胞則會(huì)停留在硬端,無法穿越邊界到達(dá)軟端(圖9)。

圖9 3T3成纖維細(xì)胞在硬度梯度表面的遷移:(a)細(xì)胞種在軟的一端,最終穿越邊界進(jìn)入硬端;(b)細(xì)胞種在硬端,最終無法穿越梯度邊界Fig.9 Movements ofNational InstitutesofHealth 3T3 cellson substrateswith a rigidity gradient:(a)a cellmoved from the soft side of the substrate toward the gradient and(b)a cell can notmove from the stiff side of the substrate toward the gradient

皮膚再生材料存在的問題與展望

目前,皮膚原位誘導(dǎo)再生材料只能實(shí)現(xiàn)真皮組織的誘導(dǎo)再生,無法實(shí)現(xiàn)表皮層和真皮層同時(shí)的誘導(dǎo)再生,更缺少正常皮膚所具有的毛囊、汗腺、皮脂腺、神經(jīng)以及黑色素細(xì)胞等附屬成分。近年來,應(yīng)用組織工程技術(shù)構(gòu)建含有附屬器官的皮膚正成為研究熱點(diǎn)。Wu等將真皮毛囊鞘成纖維細(xì)胞種植于膠原凝膠,成功誘導(dǎo)再生出類毛囊結(jié)構(gòu)[72]。Tai-Horng Young[73]等通過真皮乳頭細(xì)胞(dermal papilla cells)自聚集的方法,在poly(ethyleneco-vinyl alcohol)膜上成功制備了類球體的微組織(圖10),體內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該微組織可在一定程度上誘導(dǎo)毛囊的再生(圖10)。Berthod等在膠原/殼聚糖多孔支架中添加層粘連蛋白(Laminin),復(fù)合種植成纖維細(xì)胞和角質(zhì)細(xì)胞,移植于裸鼠背部,120 d后發(fā)現(xiàn),添加了層粘連蛋白的支架中,新生神經(jīng)的數(shù)量是對(duì)照組的7倍[74]。Neil等在經(jīng)化學(xué)改性的材料表面實(shí)現(xiàn)了黑色素細(xì)胞和皮膚角質(zhì)細(xì)胞的共培養(yǎng),可望在修復(fù)皮膚缺損的同時(shí),解決色素缺乏的問題[75]。金巖等以包皮組織作為細(xì)胞源,采用消化法獲得角朊細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和黑色素細(xì)胞,采用自行設(shè)計(jì)的組織工程皮膚培養(yǎng)系統(tǒng),構(gòu)建了含黑色素細(xì)胞的組織工程皮膚。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所構(gòu)建的組織工程皮膚結(jié)構(gòu)完整,層次清晰,表皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞活力良好[76]。

圖10 體外制備的類毛囊體以及該類毛囊體在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中的組織觀察Fig.10 Morphology of the dermal papilla microtissue(a)andhistology of induced hair follicle in the patch assay(b)

是否能夠通過原位誘導(dǎo)再生的方法,實(shí)現(xiàn)具有全結(jié)構(gòu)和全功能的皮膚組織的再生?皮膚原位誘導(dǎo)再生材料可能具有同時(shí)誘導(dǎo)、調(diào)控多種細(xì)胞行為的性能嗎?生命體通過干細(xì)胞分裂來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的更新及保證持續(xù)生長(zhǎng)。隨著干細(xì)胞研究尤其是成體干細(xì)胞研究的快速發(fā)展,干細(xì)胞為采用組織工程技術(shù)構(gòu)建人體組織、器官提供充足可靠的細(xì)胞來源已成為可能,這也將成為干細(xì)胞應(yīng)用的一個(gè)主要方向。

Hu Kuikui[77]等將表皮干細(xì)胞(epidermal stem cells)復(fù)合的皮膚支架進(jìn)行體內(nèi)移植研究,發(fā)現(xiàn)復(fù)合了表皮干細(xì)胞的皮膚支架可促進(jìn)皮膚缺損修復(fù),并減少瘢痕的形成。Christelle Coraux等[78]證明胚胎干細(xì)胞可在體外分化為角質(zhì)細(xì)胞,并發(fā)現(xiàn)復(fù)合了胚胎干細(xì)胞的皮膚支架能發(fā)展出與真正皮膚非常相近的結(jié)構(gòu)。Qi Shaohai等[79]制備了復(fù)合有異種真皮、表皮干細(xì)胞和真皮毛乳頭細(xì)胞的組織工程皮膚,發(fā)現(xiàn)該組織工程皮膚可得到更厚的表皮,并可以減少瘢痕的產(chǎn)生。Elaine F.Kung等[80],將人的內(nèi)皮祖細(xì)胞與組織工程皮膚支架相復(fù)合,獲得了可誘導(dǎo)微管再生的組織工程皮膚(圖11)。

圖11 未復(fù)合(a)與復(fù)合(b)內(nèi)皮祖細(xì)胞的組織工程皮膚的組織分析Fig.11 Histological evaluation of human skin substitutes(HSSs)seeded with EPCs(b)after 2 weeks in vivo(×200).The HSSswithout seeding was used as a control(a)

此外,已有研究發(fā)現(xiàn),干細(xì)胞復(fù)合可以實(shí)現(xiàn)附屬器官的再生。Ju Linxie等[81]將制備一種復(fù)合表皮干細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的組織工程皮膚。經(jīng)移植試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該組織工程皮膚可誘導(dǎo)生成與完整皮膚在形態(tài)學(xué)上非常相近真皮和表皮。YiLin等[82]將由ES分化而來的表皮干細(xì)胞與組織工程皮膚支架相復(fù)合,移植于老鼠后,發(fā)現(xiàn)此組織工程皮膚可誘導(dǎo)生成類毛囊結(jié)構(gòu)與腺狀結(jié)構(gòu)。

因此,結(jié)合干細(xì)胞技術(shù)和原位誘導(dǎo)再生思想,原位誘導(dǎo)皮膚再生材料未來發(fā)展的方向是:通過調(diào)節(jié)材料的微結(jié)構(gòu)、仿生組成、表面特異性位點(diǎn)以及活性信息的復(fù)合等手段,賦予材料原位動(dòng)員、原位捕獲、誘導(dǎo)遷移以及分化調(diào)控特定干細(xì)胞的性能,仿生構(gòu)建干細(xì)胞體內(nèi)分化的微環(huán)境,誘導(dǎo)干細(xì)胞的定向分化,實(shí)現(xiàn)具有全結(jié)構(gòu)和功能的皮膚組織的原位誘導(dǎo)再生。

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Progress and Challenge of Skin Induced-Regeneration Materials

MA Lie1,GAO Changyou1,LI Mingzhong2,BAI Lun2,SHEN Jiacong1

(1.MOE Key Laboratory of Macromolecular Synthesis and Functionalization,Department of Polymer Science and Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)
(2.National Engineering Laboratory for Modern Silk,Soochow University,Suzhou 215021,China)

Skin defect is one of the serious surgical problems.The research background and history of skin regenerating materials are summarized in this review.Particularly,the recent progress in skin induced-regeneration materials is introduced.Angio genesis and cell migration are emphasized as the key issues determining the resultof skin regeneration.Finally,the possible breakthrough in future is envisaged by analyzing the challenges remained in the skin induced-regeneration materials.

biomedical materials;skin defect;induced-regeneration;angio genesis;cell migration

R318.08

A

1674-3962(2010)09-0034-12

2008-12-01

國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目(2005CB623902);浙江省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目資助(2007C23014)

高長(zhǎng)有,男,1966年生,教授