陳建常

組織工程修復骨缺損的研究進展

陳建常

組織工程;修復外科手術;骨再生

骨缺損的修復以往多以自體、同種異體或人工骨修復，存在供骨區(qū)損傷、來源有限、傳染疾病、倫理及骨不愈合等諸多并發(fā)癥及問題。組織工程作為一門新興學科得到迅猛發(fā)展，組織工程技術的提出和發(fā)展使骨再生研究有了新的方向。組織工程骨的出現(xiàn)為骨缺損的修復帶來了新的希望，它改變了以往創(chuàng)傷修復的傳統(tǒng)模式，能以少量組織細胞修復大塊組織缺損，并可按需塑形達到理想形態(tài)，為實現(xiàn)創(chuàng)傷修復及完美的生物學重建提供了理論和方法。本文就骨組織工程中種子細胞、生物支架和細胞因子共同構建組織工程骨用以修復創(chuàng)傷性骨缺損的最新進展做一綜述，并對能否用組織工程的方法修復火器傷骨缺損進行展望。

1 種子細胞的來源與選擇

種子細胞是骨組織工程研究中最基本的環(huán)節(jié)，也是骨組織工程學研究的熱點問題之一，種子細胞應具有取材簡便、無瘤變、增殖能力強并能耐受機體免疫等特點。目前在組織工程領域應用較多的主要有骨髓基質(zhì)干細胞(bone marrow stem cells，BMSCs)及脂肪源性干細胞(adipose derived stem cells，ADSCs)。

1.1 BMSCsBMSCs因為增殖分化能力強，取材簡便而成為種子細胞主要來源。BMSCs在骨髓中的含量最為廣泛［1-2］，近年來的研究表明，BMSCs具有多向分化潛能，幾乎能分化成身體的任何細胞，骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)可以增強BMSCs向成骨細胞分化，并且在地塞米松、維生素C等作用下也可向成骨細胞分化［3］。付志厚和王愛民［4］利用骨髓間充質(zhì)干細胞修復假體周圍骨缺損時證明，BMSCs可向成骨細胞分化并促進假體骨界面骨整合。有研究證實，BMSCs多次傳代后無致瘤傾向，顯示出良好的應用前景［5］。BMSCs作為種子細胞，其細胞學特點和確切的分化調(diào)控機制仍不清楚，目前國內(nèi)已開始應用生物反應器模擬體內(nèi)微環(huán)境并取得一定效果，但并不能完全模擬生理狀態(tài)下的各種刺激，仍有待進一步研究。

1.2 hADSCshADSCs作為種子細胞，近些年來也越來越成為人們關注的焦點，其最早由Zuk等［6］在脂肪組織的血管基質(zhì)片段中分離得到，這些細胞與來源于骨髓的間充質(zhì)干細胞具有相似的形態(tài)、免疫表型以及多向分化的潛能，由于自體脂肪含量豐富，作為種子細胞的來源十分廣泛。Lin等［7］通過對其表面抗原表達的研究提出hADSCs可能是血管來源的干細胞，這為組織工程骨修復骨缺損血管化的問題打下了良好的基礎。Mesimakif等［8］利用由自體ADSCs、β-磷酸三鈣和重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2制定的微血管復合皮瓣成功的對一老年男性患者因巨大角化囊腫行上頜骨半切除術術后缺損進行了修復，并生成了骨化良好的骨組織。目前大部分研究都只停留在動物實驗階段及修復非受力骨骨缺損方面，相對于大塊骨缺損及受力骨骨缺損的研究較少。以hADSCs作為種子細胞的組織工程骨的力學特性爭議還較多，這些問題還有待解決，但不可否認，以其作為種子細胞研究前景廣闊。ADSCs極有可能成為今后種子細胞產(chǎn)業(yè)化的同種異體細胞來源。

2 生物支架

生物支架是種子細胞的載體和組織結構的支架，在新骨形成之前為種子細胞提供增殖分化、營養(yǎng)交換、新陳代謝的空間及機械支撐，也是細胞外基質(zhì)分泌的空間場所。作為骨組織工程的細胞外基質(zhì)應具備良好的生物組織相容性，對機體無毒害及良好的生物降解性，且具有適合的多孔三維結構、可塑性及一定的機械強度。目前研究發(fā)現(xiàn)有很多材料可用做骨組織工程的支架材料，分為天然和人工合成兩大類。

2.1 天然材料 天然類生物支架主要以同種異體骨、異種骨為代表，異體骨和異種骨結構和力學性能與骨相似，目前應用廣泛，但免疫原性是面臨的首要問題，同時有可能傳播疾?。?］。目前所研究的天然材料包括甲殼素及其衍生物、膠原、藻酸鹽等，它們來源廣泛，生物相容性好，降解產(chǎn)物無毒害。有些還具有一定的細胞誘導性及抗腫瘤促愈合的功能［10］，但力學性能較差，機械強度不足，降解速度無法控制，很難單獨作為支架材料使用。

2.2 人工合成高分子 人工合成高分子包括一切由各種化學方法制成的人工材料，包括聚乳酸、聚乳醇酸、聚酸酐以及它們之間的共聚物等。這些材料大多具有可降解性，目前乳酸羥基乙酸共聚物(PLGA)已經(jīng)可以控制力學強度及降解速率，隨著研究進一步深入應能逐漸滿足組織工程對支架的需要，但仍有親水性及細胞吸附力弱，降解時局部產(chǎn)生的酸性產(chǎn)物可形成無菌性炎癥損害新生組織等缺點。

2.3 復合材料 單一的材料經(jīng)證實無法滿足骨組織工程支架材料的要求，研究人員將幾種材料加工組合制成復合材料，以彌補單一材料的不足。Ding［11］研究證明，殼聚糖和磷酸鈣復合物可有效提高骨水泥內(nèi)部孔隙率，有利于血管神經(jīng)的長入，并在一定程度上提高了抗壓強度，可用于骨缺損的修復。為了克服材料之間的界面結合力弱，難以產(chǎn)生相互作用等問題，人們又把眼光投向了納米復合材料。納米磷酸三鈣/膠原支架、納米羥基磷灰石、膠原、聚乳酸材料等的出現(xiàn)，使得各種材料的界面結合效果得以增強、增韌，大大提高了材料的綜合性能，使之優(yōu)于普通的復合材料支架。

3 細胞因子

生物體細胞因子能夠促進細胞增殖、分化過程，促進血管化進程及成骨細胞黏附增殖，改變細胞產(chǎn)物的合成，是骨再生的關鍵環(huán)節(jié)。生長因子可以促進組織器官的修復和再生，對組織工程化人體組織的構建有重要的作用［12］。現(xiàn)已從骨基質(zhì)、骨器官和骨細胞的培養(yǎng)液中分離出多種骨生長因子，如BMP、血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、血小板衍生生長因子(PDGF)、胰島素樣生長因子(IGF)、轉化生長因子 β(TGF-β)、堿性成纖維細胞生長因子(bFGF)等。

BMP是被研究的最多的成骨因子，其在骨發(fā)生、骨誘導、骨修復以及骨量保持方面發(fā)揮關鍵作用。它還是骨生長的啟動因子，可以通過軟骨化骨和膜內(nèi)化骨在正常位置或者異位形成新骨，其中BMP-2、BMP-4和BMP-7被證實具有很強的誘骨生成作用［13］。隨著生物技術的逐步提高，諸如基因聯(lián)合技術、多因子混合技術等，BMP的應用將具有更廣闊的前景。在骨修復過程中，血管再生是關系著組織工程骨能否成活的關鍵因素之一［14］。VEGF能刺激血管內(nèi)皮細胞的有絲分裂和血管的發(fā)生，促進內(nèi)皮細胞的增殖及血管的生成。PDGF促進血管內(nèi)皮的增殖，對骨缺損的修復中血管的再生起著至關重要的作用。IGF可促進細胞分裂，在骨骼中，IGF 是含量最豐富的信號分子［15］，Gelse等［16］證實，IGF與其他生長因子協(xié)同可刺激骨母細胞增殖、分化并促進骨的生長發(fā)育。TGF-β在骨缺損修復過程中有促進軟骨和骨修復的作用。它具有在誘導骨再生的同時促進微血管生成，加快新骨形成，也具有使間充質(zhì)干細胞分化為骨細胞或軟骨細胞，并能形成細胞外基質(zhì)的作用［17］。bFGF能夠促進骨細胞增殖及微血管生長分化，增加了骨細胞合成膠原和非膠原蛋白的能力，有利于骨組織生長。其不僅能提高BMSCs的增殖速度，且能在增殖過程中保留多向分化潛能［18］。

在骨組織再生中，各生長因子之間往往協(xié)同作用，調(diào)節(jié)骨的代謝、愈合及改建，但由于骨生長因子的半衰期較短，不易在體內(nèi)達到理想濃度，因而人們通過緩釋、基因轉染及活化等技術使生長因子作用時間及效果更加穩(wěn)定。王立勛等［19］利用帶人BMP-2基因的慢病毒轉染骨髓間質(zhì)干細胞構建的組織工程骨對大鼠顱骨缺損進行修復，取得了較好的效果。王建忠等［20］證明，HVEGF121基因轉染的復合材料能顯著提高火器傷后骨缺損修復的效果，但只限于實驗研究的初步階段。必須認識到任何時候骨細胞的微環(huán)境中都不只是出現(xiàn)某一種因子，骨組織代謝是由多種因子同時參與調(diào)節(jié)。細胞因子對細胞作用的時效關系、量效關系、細胞因子之間的相互作用及反饋調(diào)節(jié)尚待進一步研究。

4 總結與展望

盡管組織工程修復骨缺損已取得很大的成就，特別是在基礎研究方面，展示出極大的發(fā)展空間及應用前景，臨床雖有少量報道［21］，但仍面臨諸多瓶頸，有待于進一步研究解決。關于種子細胞、支架材料、成骨因子的臨床研究較少，大多僅限于創(chuàng)傷性骨缺損的基礎性研究［22］。有關火器傷骨缺損動物模型的建立文獻報道極少，如何建立合適的火器傷骨缺損動物模型是擺在我們面前的首要問題，在此基礎上再探討能否用組織工程的方法修復火器傷骨缺損，并逐步過度到臨床應用。目前有關火器傷骨折的一期內(nèi)固定動物模型已獲成功［23-24］，相信組織工程修復火器傷骨缺損的目標實現(xiàn)也不會太遙遠。

［參考文獻］

［1］Jiang Y，Jahagirdar B N，Reinhardt R L，et al．Pluripotency of mesenchymal stem cells derived from adult marrow［J］．Nature，2002，418(6893):41-49．

［2］Freitas C S，Dalmau S R．Multiple sources of non-embryonic multipotent stem cells:processed lipoaspirates and dermis as promising alternatives to bone-marrow-derived cell therapies［J］．Cell Tissue Res，2006，325(3):403-411．

［3］da Silva Meirelles L，Chagastelles P C，Nardi N B．Mesenchymal stem cells reside in virtually all post-natal organs and tissues［J］．J Cell Sci，2006，119(Pt11):2204-2213．

［4］付志厚，王愛民．骨髓間充質(zhì)干細胞修復假體周圍骨缺損及對假體界面骨整合的影響［J］．中國矯形外科雜志，2008，16(13):1023-1025．

［5］Rubio D，Garcia Castro J，Martin M C，et al．Spontaneous human adult stem cell transformation［J］．Cancer Res，2005，65(8):3035-3039．

［6］Zuk P A，Zhu M，Ashjian P，et al．Human adipose tissue is a source of multipotent stem cells［J］．Mol Biol Cell，2002，13(12):4279-4295．

［7］Lin G，Garcia M，Ning H，et al．Defining stem and progenitor cells within adipose tissue［J］．Stem Cells Dev，2008，17(6):1053-1063．

［8］Mesimaki K，Lindroos B，Tornwall J，et al．Novel maxillary reconstruction with ectopic bone formation by GMP adipose stem cells［J］．Int J Oral Maxillofac Surg，2009，38(3):201-209．

［9］Bishop A T，Pelzer M．Vascularized bone allotransplantation:current state and implications for future reconstructive surgery［J］．Orthop Clin North Am，2007，38(1):109-122．

［10］周紅波，朱智敏．甲殼素及其衍生物用于骨缺損修復的研究進展［J］．國際口腔醫(yī)學雜志，2011，38(1):83-86．

［11］Ding S J．Biodegradation behavior of chitosan/calcium phosphate composites［J］．J Non Cryst Solids，2007，353(24-25):2367-2373．

［12］徐世旭，陽富春．骨形態(tài)發(fā)生蛋白的成骨作用及其在骨組織工程中的應用［J］．醫(yī)學綜述，2008，14(2):193-194，195．

［13］Ishibe T，Goto T，Kodama T，et al．Bone formation on apatite-coated titanium with incorporated BMP-2/heparin in vivo［J］．Oral Surg，Oral Med，Oral Pathol，Oral Radiol and Endod，2009，108(6):867-875．

［14］Gao J，Yao J Q，Caplan A I．Stem cells for tissue engineering of articular cartilage［J］．Proc Inst Mech Eng，2007，221(5):441-450．

［15］鄧江，黃文良，阮世強，等．胰島素樣生長因子-Ⅰ活化組織工程骨修復骨缺損的實驗研究［J］．第三軍醫(yī)大學學報，2011，33(2):145-147．

［16］Gelse K，Muhle C，Knaup K，et al．Chondrogenic differentiation of growth factor-stimulated precursor cells in cartilage repair tissue is associated with increased HIF-1alpha activity［J］．Osteoarthritis Cartilage，2008，16(12):1457-1465．

［17］Koli K，Ryynanen M J，Keski Oja J．Latent TGF-beta binding proteins(LTBPs)-1 and-3 coordinate proliferation and osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells［J］．Bone，2008，43(4):679-688．

［18］Clements B A，Hsu C Y，Kucharski C，et al．Nonviral delivery of basic fibroblast growth factor gene to bone marrow stromal cells［J］．Clin Orthop Relat Res，2009，467(12):3129-3137．

［19］王立勛，呂飛舟，馬曉生，等．慢病毒介導骨形成蛋白-2基因轉染骨髓間質(zhì)干細胞修復大鼠顱骨骨缺損［J］．中華實驗外科雜志，2008，25(6):705-706．

［20］王建忠，李兵倉，陳菁，等．攜帶hVEGF121-EGFP融合基因的腺病毒表達載體的構建及在NIH3T3細胞中的表達［J］．第三軍醫(yī)大學學報，2006，28(4):315-318．

［21］丁真奇，周亮，練克儉，等．脫蛋白牛松質(zhì)骨結合自體紅骨髓移植修復骨腫瘤性骨缺損［J］．中國臨床康復，2006，12(21):172-173．

［22］Fan W，An H，Jiang D M，et al．Construction of tissue engineering bone with deproteinized bone as scaffold in vitro:experiment with rabbis［J］．Natl Med J China，2006，86(47):3349-3352．

［23］陳建常，張春浩，何新建，等．寒冷干燥環(huán)境下羊肢體槍傷骨折鋼板內(nèi)固定的實驗研究［J］．中華創(chuàng)傷骨科雜志，2009，11(7):659-662．

［24］陳建常，張洋，劉聰，等．低溫環(huán)境對羊肢體槍傷骨折內(nèi)固定療效的影響［J］．中國矯形外科雜志，2009，17(18):1397-1399．

R318．17

A

2095-140X(2012)08-0001-03

10．3969/j．issn．2095-140X．2012．08．001

2012-07-18)

蘭州軍區(qū)衛(wèi)生科研基金(CWS10JB14)

830000烏魯木齊，蘭州軍區(qū)烏魯木齊總醫(yī)院全軍骨科中心