干細(xì)胞用微納支架及其臨床應(yīng)用前景

劉 鑫，孫劍飛，顧 寧

(1.東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇省生物材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)(2.蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215123)

1 前 言

干細(xì)胞是一類具有無限自我更新和分化潛能的多功能細(xì)胞，在一定的誘導(dǎo)條件下，可以定向分化為各種細(xì)胞和組織。由于干細(xì)胞具備的這些特點(diǎn)，“干細(xì)胞治療”概念被提出且已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代疾病的治療。干細(xì)胞治療是指通過體外分離、培養(yǎng)，定向誘導(dǎo)干細(xì)胞分化，培養(yǎng)出具有正常生理功能的細(xì)胞，利用干細(xì)胞移植技術(shù)將其移植到體內(nèi)，代替那些損傷或非正常死亡的細(xì)胞，達(dá)到治療目的。干細(xì)胞移植入體內(nèi)后發(fā)揮作用主要依賴其各種生物學(xué)活性，包括增殖、遷移、粘附、分化和歸巢等對(duì)體內(nèi)微環(huán)境產(chǎn)生作用，進(jìn)而影響病灶的治愈。近年來，干細(xì)胞治療在臨床疾病治療上已取得顯著療效，如白血病、血友病、骨缺損、脊髓損傷及癌癥診斷[1]等。

由于可以很好地模擬細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境，為細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖提供一個(gè)人為的生長(zhǎng)空間，微納支架已被廣泛應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域。隨著組織工程技術(shù)的迅猛發(fā)展，構(gòu)建工程支架為干細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖提供人為的外環(huán)境變得至關(guān)重要。理想的支架應(yīng)具備以下特點(diǎn)[2]：① 良好的生物相容性；② 良好的生物降解性；③ 良好的力學(xué)性能；④ 更多的粘附位點(diǎn)。而微納支架由于其良好的表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，更符合微環(huán)境內(nèi)組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而更利于細(xì)胞生長(zhǎng)增殖、遷移、粘附和分化，這是微納支架比傳統(tǒng)支架更為顯著的優(yōu)勢(shì)。目前微納支架已被部分應(yīng)用于臨床疾病治療(表1)，但仍然面臨一些較為嚴(yán)重的體內(nèi)應(yīng)用問題，如誘導(dǎo)干細(xì)胞分化為癌細(xì)胞、引起傳染病的危險(xiǎn)、人體免疫系統(tǒng)排斥等。隨著微納制造技術(shù)和干細(xì)胞基礎(chǔ)研究的發(fā)展，微納支架在干細(xì)胞中的應(yīng)用被越來越深地發(fā)掘。這主要是由于微納支架不僅兼具傳統(tǒng)支架優(yōu)良的機(jī)械性、較強(qiáng)的拉伸性、良好的生物相容性和可控的生物降解性，還具有相似的體內(nèi)微環(huán)境結(jié)構(gòu)、可控的親疏水性、較強(qiáng)的細(xì)胞吸附率和更低的炎癥反應(yīng)[3,4]。微納支架復(fù)合干細(xì)胞的應(yīng)用極具研究?jī)r(jià)值和發(fā)展前景，本文就微納支架在干細(xì)胞治療中的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并對(duì)其臨床應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

表1 目前已批準(zhǔn)用于臨床或處于臨床試驗(yàn)階段的微納支架Table 1 Macro-nano scaffolds approved for clinical application and in clinical trials

2 微納支架的常用制備方法

相比于普通支架，微納支架具有良好的表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，為干細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖提供了更多的黏附位點(diǎn)。且微納支架的結(jié)構(gòu)受多種因素的影響，因此結(jié)構(gòu)調(diào)控更加靈活多變，可以根據(jù)不同的制備方法進(jìn)行選擇。微納支架和普通支架也存在著緊密的聯(lián)系。在組織工程領(lǐng)域，一般將生物支架分為3個(gè)尺度范圍，影響著細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育過程，包括毫厘米尺度(普通支架)、微米尺度和納米尺度(微納支架)。毫厘米尺度的支架主要決定著修復(fù)組織的總體形態(tài)，微納米尺度不僅決定著組織的形態(tài)，還顯著影響細(xì)胞的遷移和生長(zhǎng)，調(diào)控細(xì)胞的黏附和基因表達(dá)，這也是微納支架的顯著優(yōu)勢(shì)。需要根據(jù)損傷部位的應(yīng)用需求做出恰當(dāng)?shù)倪x擇，例如用于骨缺損支架的力學(xué)強(qiáng)度就要大于神經(jīng)損傷和血管損傷支架所需的力學(xué)要求。微納支架常用的制備方法有相分離法、分子自組裝法、靜電紡絲法、冷凍干燥法、發(fā)泡法和三維(3D)打印技術(shù)(表2)等[5,6]。

2.1 相分離法

相分離法主要用于微孔支架的制備，由介質(zhì)的不同可分為熱致相分離法、干相分離法和濕相分離法[41]。熱致相分離法是目前應(yīng)用最廣泛的相分離法之一?？蓱?yīng)用于多種溶解度差而不能用干、濕相分離法解決微孔成型的各種聚合物中。熱致相分離法利用了一種高沸點(diǎn)、低揮發(fā)性的溶劑與聚合物混合，繼而降溫冷卻，在此過程中產(chǎn)生體系相分離，然后選擇適當(dāng)?shù)妮腿⑷軇┹腿〕鰜?，從而形成微孔結(jié)構(gòu)。目前采用熱致相分離法制備支架的材料主要有PLGA、PLLA、PCL、PDLLA和Gelatin等[7-11]。極性或非極性聚合物均適用于該方法，且控制參數(shù)少、過程易連續(xù)穩(wěn)定、孔隙均勻可實(shí)現(xiàn)各種微觀結(jié)構(gòu)，在組織工程支架制備上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。微孔結(jié)構(gòu)的大小主要受溶劑的種類、溫度和材料本身特性影響。Gioacchino等[8]利用熱致相分離技術(shù)制備具有100和200 μm孔徑的PLLA支架，溶劑采用二氧六環(huán)與水的混合物，溶劑去除采用真空冷凍干燥法，通過不同的降溫過程得到兩種孔徑的PLLA支架。Rezabeigi等[9]將PCL與二氯甲烷和正己烷組合形成三元體系的溶液，在-23 ℃進(jìn)行相分離，冷凍干燥后得到PCL支架。

表2 微納材料支架的制備方法Table 2 Preparation methods of micro-nano material scaffold

2.2 分子自組裝

分子自組裝法是利用非共價(jià)鍵分子間的作用力自主組裝成圖案。目前，通過自組裝形成的支架主要有PNF[13]、Hydrogel[14]、SF[15]、PLLA[16]等。天然或合成大分子可通過自組裝產(chǎn)生納米級(jí)超分子結(jié)構(gòu)或納米纖維，部分也可自組裝成直徑達(dá)到(7.6±1)nm的納米纖維，并已被用于研究神經(jīng)祖細(xì)胞的選擇性分化。此種方法制備的支架尺度較小、空間結(jié)構(gòu)規(guī)則，且易于人為調(diào)控，展現(xiàn)了巨大的臨床應(yīng)用潛能。Hosseinkhani等[42]研究了通過肽-兩親物(PA)分子自組裝形成的納米纖維的三維支架，通過調(diào)控PA的結(jié)構(gòu)，電荷和環(huán)境可自組裝成薄片、球體、棒狀物、圓盤或通道等形狀。Gao等[43]通過自組裝技術(shù)成功制備了含RADA16-c(RGDfK)的多肽Hydrogel支架，并與Ⅰ型Gelatin-Hydrogel支架和含精氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、丙氨酸(RADA16)自組裝肽Hydrogel支架進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)出良好的促神經(jīng)祖細(xì)胞增殖和分化的潛能。

2.3 靜電紡絲法

靜電紡絲技術(shù)自Formalas發(fā)明靜電力制備聚合物纖維以來，已有數(shù)十年的發(fā)展。靜電紡絲的形成過程：聚合物溶液位于針尖處呈球形液滴，在高頻電場(chǎng)的作用下變?yōu)閳A錐形(即“泰勒推”)，再形成射流并被拉伸成細(xì)纖維。靜電紡絲法制備的支架一般以納米級(jí)纖維支架為主，目前采用靜電紡絲技術(shù)制備支架的材料主要有SF、CS[20]、Gelatin、HA、Collagen、PLLA、PCL[44]和各種復(fù)合材料。靜電紡絲工藝相對(duì)于傳統(tǒng)方法具有的優(yōu)點(diǎn)包括高比表面積和孔隙率，此外還可以通過改變工藝參數(shù)來調(diào)節(jié)一些特性，例如纖維直徑、三維結(jié)構(gòu)及基體組成。所述工藝參數(shù)包括使用的聚合物與共聚物之間的關(guān)系、電壓、流速、針與收集器之間的距離[24]等。Lin等[45]使用靜電紡絲法成功制備出隨機(jī)取向的PLLA納米纖維，并證明PLLA纖維支架可有效促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞的粘附、生長(zhǎng)和增殖，展現(xiàn)了在神經(jīng)組織工程中的應(yīng)用潛力。

2.4 冷凍干燥法

冷凍干燥技術(shù)的基本過程是低溫下使溶液凝固為冰晶，通過抽真空使其升華，在升華的位置形成支架孔隙。目前冷凍干燥法制備的支架有SF、CS、CA、CPT、Gelatin等[29,46]。冰晶形成是該方法的關(guān)鍵技術(shù)，主要有兩個(gè)階段：成核階段和冰晶成長(zhǎng)階段。冰晶成長(zhǎng)大小決定了支架孔徑的大小，而冰晶成長(zhǎng)的大小受預(yù)冷凍溫度和速率的影響，因此制備支架的尺度可通過調(diào)控預(yù)冷凍溫度和速率加以控制。一般冷凍干燥法制備的支架呈現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)特征分布。此種制備方法不僅過程簡(jiǎn)單，而且兼具上述制備方法高比表面積、高孔隙率等優(yōu)點(diǎn)，且空間結(jié)構(gòu)易于調(diào)控、適合批量生產(chǎn)，在臨床應(yīng)用中最具發(fā)展前景。Wang等[26]通過冷凍干燥法制備了含有銀納米顆粒的SF/甲殼素(Chitin)納米復(fù)合支架，可用作傷口敷料。Bernhardt等[47]通過聯(lián)合冷凍干燥和交聯(lián)法制備了含有鮭魚膠原蛋白和海蜇膠原蛋白的雙相支架，并成功應(yīng)用于促進(jìn)成骨和軟骨細(xì)胞的分化調(diào)控。

2.5 發(fā)泡法

發(fā)泡法指利用氣體作為致孔劑制備支架的方法，主要分為化學(xué)發(fā)泡法和物理發(fā)泡法[48]。其中化學(xué)發(fā)泡法應(yīng)用較多，常用的化學(xué)發(fā)泡劑有碳酸鹽類[49]、月桂酸鉀[50]、氯化銨[51]、氧化劑[31]等。物理發(fā)泡法所使用的發(fā)泡劑主要包括氧氣(O2)、二氧化碳(CO2)、氮?dú)?N2)、一氧化二氮(N2O)、碳?xì)浠衔?CnH2n+2)和氟利昂(CFC)等。發(fā)泡法制備的支架孔徑分布多呈微米尺度，但存在孔隙分布無法精確控制的問題。且此種方法制備的支架多呈閉孔結(jié)構(gòu)，如果將其與粒子浸出技術(shù)相結(jié)合，則可以制備出連通的開孔結(jié)構(gòu)支架。發(fā)泡法制備的支架孔隙率和結(jié)構(gòu)受聚合物材料的結(jié)晶性、分子量、平衡時(shí)間和放氣速率的影響。結(jié)晶性和分子量越高，越難發(fā)泡且孔隙率越低；平衡時(shí)間越長(zhǎng)則孔隙率越高，且放氣速率對(duì)孔隙率影響較小。在支架制備過程中，可以通過調(diào)控這些因素調(diào)節(jié)支架的空間結(jié)構(gòu)。Maniglio等[31]使用N2O作為發(fā)泡劑制備了SF多孔支架，主要步驟是將質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%或2%的SF溶液置于容器中，并采用0.55或1.1 MPa的N2O進(jìn)行加壓，使其擴(kuò)散溶解到溶液中并積聚在懸浮的SF中，然后使容器倒置并通過打開減壓閥將溶液通過噴嘴或針頭擠出，溶解氣體的膨脹導(dǎo)致溶液在通過噴嘴或針頭時(shí)瞬間發(fā)泡。這種發(fā)泡技術(shù)允許在溫和的加工條件下用相對(duì)惰性的發(fā)泡劑使SF溶液飽和，從而便于調(diào)節(jié)孔隙率來制備SF多孔支架。

2.6 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是一種新興的高端技術(shù)，采用計(jì)算機(jī)控制，因此可精確調(diào)控支架的孔徑大小和分布，打印出各種形狀的微納尺度支架，且成型性好、速度快、可規(guī)?；a(chǎn)[52]。它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于三維多孔支架材料的打印，常用的打印材料包括絲素蛋白、絲膠蛋白、水凝膠、PCL、PLA、PLGA、Nylon、PT和Collagen等。此種方法由于采用了計(jì)算機(jī)輔助控制，可以達(dá)到對(duì)支架結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，且支架的大小、形狀分布可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，是未來極具臨床應(yīng)用潛力的支架制備方法之一。但由于目前該技術(shù)對(duì)材料特性要求高，還未進(jìn)行大規(guī)模推廣。Chen等[36]利用3D打印技術(shù)制備了一種Hydrogel支架，原材料由絲膠蛋白(sericin)和甲基丙烯酸酐改性的明膠(GelMA)組成，打印出的支架具有高度膨脹性，且具有規(guī)則的大孔結(jié)構(gòu)，有助于保持濕潤(rùn)，用于傷口敷料以加速傷口愈合。同時(shí)，該支架還有利于L929細(xì)胞的粘附和增殖。這些優(yōu)異的支架性能可被用于傷口護(hù)理和藥物遞送等。

干細(xì)胞用微納支架的制備目前已經(jīng)發(fā)展出諸多方法，由于不同方法存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)具體的使用要求選擇合適的制備方法。

3 干細(xì)胞用微納支架的臨床應(yīng)用基礎(chǔ)

3.1 干細(xì)胞與微納支架結(jié)合的必要性

干細(xì)胞由于其多向分化潛能特性，可以定向分化為各種細(xì)胞，為人類的健康和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展注入了新的希望。干細(xì)胞移植是干細(xì)胞應(yīng)用的主要方向之一，在治療白血病、脊髓損傷、心臟損傷修復(fù)、股骨頭壞死、強(qiáng)直性脊柱炎等疾病上均發(fā)揮很好的療效[53,54]。干細(xì)胞移植入體內(nèi)的命運(yùn)將顯著影響干細(xì)胞在治療疾病中的效果，且利用納米技術(shù)能夠進(jìn)一步體內(nèi)示蹤，監(jiān)測(cè)移植后的干細(xì)胞變化[55,56]。近年來，隨著組織工程概念的提出和發(fā)展，構(gòu)建生物工程支架將顯著影響干細(xì)胞在體內(nèi)的命運(yùn)，促進(jìn)干細(xì)胞在疾病治療中發(fā)揮更好的效果。

組織工程的基本原理是從活體內(nèi)獲得少量的組織，利用分離培養(yǎng)方法將細(xì)胞從組織中分離出來并在體外進(jìn)行培養(yǎng)擴(kuò)增，然后將得到的細(xì)胞與生物材料按照一定的比例混合從而形成細(xì)胞-材料復(fù)合物。然后將該復(fù)合物植入機(jī)體的組織或器官損傷部位，隨著生物材料在體內(nèi)逐漸被降解代謝，植入的細(xì)胞在體內(nèi)增殖并分泌細(xì)胞外基質(zhì)，最終形成新的組織和器官，達(dá)到修復(fù)創(chuàng)傷和重建功能的目的。組織工程的3要素：種子細(xì)胞、生物材料和生長(zhǎng)因子。而干細(xì)胞和微納支架就是良好的種子細(xì)胞和生物材料，微納支架可以很好地模擬細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境，促進(jìn)干細(xì)胞在體內(nèi)的生長(zhǎng)、繁殖、發(fā)育[57,58]。Mobasseri等[59]發(fā)現(xiàn)R肽修飾PCL納米纖維支架可顯著促進(jìn)人類間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖、粘附和維持細(xì)胞長(zhǎng)期的活性，并影響人類間充質(zhì)干細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。Cheng等[60]以PCL為原料，通過相分離和顆粒浸出技術(shù)制備了納米纖維和微孔組合(NFMP)支架。NFMP支架具有兩個(gè)層次的構(gòu)建特征，包括微米級(jí)孔隙和納米級(jí)纖維。將支架與神經(jīng)細(xì)胞共培養(yǎng)結(jié)果表明，NFMP支架可以顯著促進(jìn)神經(jīng)分化，且支架的微孔結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)細(xì)胞浸潤(rùn)，表現(xiàn)出了獨(dú)特的微納結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。

另外，干細(xì)胞的多分化潛能在治療臨床疾病損傷中展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力，但由于干細(xì)胞本身所處體內(nèi)微環(huán)境的影響，其在臨床上的應(yīng)用也受到了極大的限制。主要表現(xiàn)有：存在誘導(dǎo)干細(xì)胞分化為癌細(xì)胞的可能、有引起傳染病的危險(xiǎn)、可能導(dǎo)致人體免疫系統(tǒng)排斥等。微納支架由于可以很好地模擬干細(xì)胞微環(huán)境，有效引導(dǎo)干細(xì)胞規(guī)避不利影響，展現(xiàn)了干細(xì)胞-微納支架復(fù)合物的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。綜上所述，干細(xì)胞治療要想在疾病治療中發(fā)揮良好的治療效果，結(jié)合微納材料模擬干細(xì)胞外基質(zhì)微環(huán)境顯得尤為必要。

3.2 微納支架在干細(xì)胞治療中的臨床前研究

干細(xì)胞在一定條件下，可以定向分化成機(jī)體內(nèi)的功能細(xì)胞，幾乎可以形成任何類型的組織和器官。特別是在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，干細(xì)胞可應(yīng)用于重建各種組織、器官及其它機(jī)體功能。因此，對(duì)干細(xì)胞移植于體內(nèi)后的增殖、遷移、粘附、分化和歸巢[61]特性(圖1)的研究就顯得尤為重要。微納支架在干細(xì)胞治療中的作用主要是對(duì)干細(xì)胞上述行為施加積極影響來促進(jìn)干細(xì)胞在體內(nèi)發(fā)揮功能。

圖1 微納材料支架促進(jìn)干細(xì)胞增殖、遷移、粘附、分化和歸巢示意圖Fig.1 Schematic of the micro-nano material scaffold promoting stem cell proliferation,migration,adhesion,differentiation and homing

3.2.1 干細(xì)胞治療腫瘤的研究

癌癥干細(xì)胞(CSCs)是具有自我更新能力的腫瘤起始物，是腫瘤耐藥、復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移最有可能的原因。鑒于CSCs在腫瘤生物學(xué)中的巨大作用，有必要開發(fā)一種有效的培養(yǎng)系統(tǒng)來生長(zhǎng)、維持和富集CSCs。3D細(xì)胞培養(yǎng)模型已被廣泛用于腫瘤研究[62,63]。微納支架較大的比表面積、連通的孔隙分布和利于干細(xì)胞生長(zhǎng)的表面形貌被看作是良好的三維細(xì)胞培養(yǎng)模型。Wang等[64]利用三維多孔CS支架和殼聚糖-透明質(zhì)酸(CS-HA)支架培養(yǎng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞系，探討膠質(zhì)瘤干細(xì)胞(GSCs)富集的行為。研究其形態(tài)、基因表達(dá)以及3D支架下細(xì)胞的體內(nèi)致瘤性，并設(shè)置2D培養(yǎng)模型作為對(duì)照。結(jié)果顯示，CS-HA支架培養(yǎng)細(xì)胞的體內(nèi)致瘤能力大于2D支架和CS支架。研究結(jié)果還表明，CS-HA支架具有更好的富集GSCs的能力，可用于支持腫瘤生物學(xué)研究和新型抗癌療法的開發(fā)。

3.2.2 干細(xì)胞體外重建人類疾病模型

體外構(gòu)建人類疾病模型在臨床醫(yī)學(xué)的研究中已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，由于人類疾病發(fā)生發(fā)展的復(fù)雜性，以人類本身作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象來探討疾病的病理機(jī)制，在推動(dòng)醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展上較為緩慢。目前人類積累的臨床經(jīng)驗(yàn)不僅在空間和時(shí)間上都存在著諸多局限性，而且也會(huì)受到人道主義原則的限制[65]。近些年來，隨著材料科學(xué)和干細(xì)胞研究的不斷發(fā)展，采用微納材料支架復(fù)合干細(xì)胞構(gòu)建體外人類疾病模型變?yōu)榭赡?。目前成功利用干?xì)胞支架構(gòu)建的疾病模型有心臟支架模型、腦缺血模型、神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型、脊髓損傷模型、骨缺損模型等。

Zhen等[66]利用雙光子誘導(dǎo)聚合(TPIP)技術(shù)制作了一個(gè)3D支架結(jié)構(gòu)的生物感應(yīng)心臟模型，這種3D心臟模型將是體外研究心臟疾病機(jī)制的重要進(jìn)步。具體做法是通過將健康志愿者(WT)和長(zhǎng)QT綜合征3型(LQT3)患者的多能干細(xì)胞誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞填充于合成的絲狀矩陣，開發(fā)3D人心臟組織體外模型來模擬人心室心肌層(iPS-CM)。通過觀察組織3D結(jié)構(gòu)和心肌細(xì)胞的排列形狀探討疾病的情況。研究發(fā)現(xiàn)，LQT3 iPS-CM表現(xiàn)出比WT iPS-CM更多的收縮性異常，且與具有高纖維剛度和2D表面的矩陣相比，細(xì)胞在低纖維剛度絲狀矩陣上生長(zhǎng)時(shí)更易受藥物誘導(dǎo)而產(chǎn)生心臟毒性。這種人體3D心臟模型將幫助我們更好地了解LQT3疾病機(jī)制，并為此綜合征制定更好的治療策略。

3.2.3 干細(xì)胞藥物篩選

當(dāng)今藥物的藥理學(xué)、毒理學(xué)及藥效學(xué)等研究基本都依賴于動(dòng)物細(xì)胞系開展，然而種屬之間存在的差異會(huì)產(chǎn)生不完全一樣的藥物療效反應(yīng)。且在臨床實(shí)際用藥中，由于不同個(gè)體之間的差異，個(gè)體對(duì)藥物產(chǎn)生的反應(yīng)與治療效果不完全相同。微納材料支架在干細(xì)胞中的應(yīng)用為藥物篩選建立了很好的條件和平臺(tái)，其多半以人源性干細(xì)胞作為藥物篩選試驗(yàn)的對(duì)象，可避免因種屬差異對(duì)藥物療效產(chǎn)生誤判。微納材料支架在其中多扮演促進(jìn)和引導(dǎo)干細(xì)胞分化的作用，為建立干細(xì)胞功能支架并引導(dǎo)以干細(xì)胞分化為目的細(xì)胞建立藥物篩選模型[67]。

藥物篩選一般依賴于建立疾病模型發(fā)揮作用。Lu等[68]認(rèn)識(shí)到，心臟毒性是臨床藥物消耗的主要原因之一。體外組織模型可以提供有效和準(zhǔn)確的藥物毒性篩選方法，是臨床前藥物開發(fā)和個(gè)體化治療的理想選擇。作者在預(yù)制的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具中，通過人自體轉(zhuǎn)基因多能干細(xì)胞誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞來制備心臟組織。用所形成的組織構(gòu)建體表達(dá)心肌細(xì)胞特異性蛋白，如層粘連蛋白、膠原蛋白和纖連蛋白，且排列的肌節(jié)組織呈現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月的穩(wěn)定自主收縮。其功能表征顯示，在3D組織中培養(yǎng)的心肌細(xì)胞具有更高的收縮速度和速率，并且與在2D單層組織中培養(yǎng)的細(xì)胞相比有著顯著不同的藥物應(yīng)答。在這項(xiàng)研究中，臨床相關(guān)的藥物也進(jìn)行了測(cè)試，包括抗生素、抗糖尿病和抗癌藥物。與傳統(tǒng)活力測(cè)定相比，基于功能收縮的測(cè)定在預(yù)測(cè)藥物誘導(dǎo)的心臟毒性效應(yīng)方面更為敏感，證明了與臨床觀察的一致性。因此，作者制備的3D心臟模型顯示出強(qiáng)大的應(yīng)用潛力，可用于藥物開發(fā)的早期安全性評(píng)估和個(gè)性化治療的藥物篩選。

3.2.4 干細(xì)胞病理學(xué)機(jī)制研究

病理學(xué)機(jī)制指的是人體各項(xiàng)機(jī)能出現(xiàn)功能性紊亂，從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生與發(fā)展。疾病的發(fā)生和發(fā)展主要包括屏障防御功能下降、神經(jīng)體液調(diào)節(jié)失衡、細(xì)胞和分子水平上的調(diào)節(jié)障礙。干細(xì)胞由于其多向分化潛能，可以再生多種細(xì)胞、組織和器官，大量用于病理學(xué)機(jī)制的研究。另外，微納材料支架也為干細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖提供了3D的微環(huán)境，進(jìn)一步促進(jìn)了干細(xì)胞在病理學(xué)中的研究。目前，微納材料支架在干細(xì)胞治療中參與病理學(xué)機(jī)制研究的有骨髓組織、表皮組織、角膜緣、骨骼肌、心肌、癌癥等。干細(xì)胞功能支架主要在細(xì)胞和分子水平調(diào)節(jié)參與病理學(xué)研究，它們?cè)诟黜?xiàng)疾病的發(fā)生發(fā)展、探討有效的治療方案上發(fā)揮著重要的作用[69,70]。

Zhao等[71]研究了三維系統(tǒng)培養(yǎng)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)對(duì)肝癌細(xì)胞HepG2的抑制作用及其機(jī)制，建立了含有膠原/基質(zhì)膠支架的3D系統(tǒng)培養(yǎng)MSC，并將其與2D培養(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)行比較。結(jié)果表明，3D支架中的MSC比2D支架中的MSC具有更高的增殖能力，且能夠明顯抑制肝癌細(xì)胞HepG2的增殖。此研究有效地探討了肝癌細(xì)胞的病理學(xué)機(jī)制，為臨床腫瘤的治療提供了參考。

3.3 影響微納支架在干細(xì)胞治療的主要因素

干細(xì)胞在體內(nèi)的生長(zhǎng)命運(yùn)顯著影響著干細(xì)胞在疾病治療中的效果，微納支架特有的微納結(jié)構(gòu)多孔分布可以很好地模擬細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境、影響細(xì)胞的命運(yùn)，讓細(xì)胞按照人為的想法發(fā)揮特定的功能。但其治療效果在目前的應(yīng)用中也受支架的多方面影響，例如：材料種類、表面形態(tài)、尺寸大小、表面電荷等[72-74]，解決這些問題對(duì)提高干細(xì)胞的治療效果、加快臨床安全性轉(zhuǎn)變尤為重要。

微納支架復(fù)合干細(xì)胞發(fā)揮治療作用的效果受微納支架的多方面影響。其主要是通過影響干細(xì)胞在體內(nèi)的生物活性來影響干細(xì)胞在疾病治療中的效果。例如微納支架的種類[72]主要分為天然材料的微納支架和人工合成材料的微納支架，天然的有SF、CS、HA、Collagen、Chitin等；人工合成的有PLA、PGA、PCL、PLGA、硅膠管、聚四氟乙烯(PTFE)等。它們大多以聚合物的形式存在。天然材料的微納支架由于可以更好地模擬細(xì)胞外基質(zhì)，在干細(xì)胞治療中發(fā)揮著重要的作用；人工合成材料可以人為調(diào)控材料的某些特性，包括硬度、成形性等。譚太貴等[75]研究了PLGA與明膠膜支架材料對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞生長(zhǎng)、分化的影響，觀察了神經(jīng)干細(xì)胞在PLGA膜、明膠膜和兩者混合膜上的生長(zhǎng)和分化情況。結(jié)果表明，神經(jīng)干細(xì)胞在PLGA膜表面無貼附，但可在PLGA/明膠膜和明膠膜表面貼附、生長(zhǎng)和分化，可用于中樞神經(jīng)的修復(fù)。

微納支架的表面形貌、尺度和支架內(nèi)部的結(jié)構(gòu)排列也顯著影響干細(xì)胞治療效果[74,76]。Prasopthum等[77]利用3D打印技術(shù)制備了類似于細(xì)胞外基質(zhì)的纖維狀結(jié)構(gòu)，尺寸從納米級(jí)到厘米級(jí)不等，并將其與具有光滑表面結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)支架進(jìn)行對(duì)比。3D打印支架的納米纖維形貌顯著增強(qiáng)了人類間充質(zhì)干細(xì)胞的蛋白質(zhì)吸收、細(xì)胞粘附和分化。這些具有既定結(jié)構(gòu)和納米級(jí)ECM模擬形態(tài)的3D打印支架在軟骨和骨再生中具有良好的應(yīng)用潛能。Ellis-Behnke等[78]設(shè)計(jì)了一種自組裝肽納米纖維支架，可以模擬軸突生長(zhǎng)微環(huán)境，有效促進(jìn)急性損傷部位的再生，并能在體內(nèi)與大腦組織編織在一起。結(jié)果表明，自組裝排列的納米纖維與混亂排列的納米纖維顯示出不同的現(xiàn)象。

同種材料的不同制備方法也顯著影響干細(xì)胞的行為，進(jìn)而影響干細(xì)胞在體內(nèi)的治療效果。Namini等[79]采用靜電紡絲和冷凍干燥方法制備了PLGA/HA納米復(fù)合支架，并分別在上面培養(yǎng)人子宮內(nèi)膜干細(xì)胞(hEnSC)，分化為成骨細(xì)胞的行為。結(jié)果顯示，凍干PLGA/HA支架上培養(yǎng)的細(xì)胞行為明顯優(yōu)于靜電紡絲PLGA/HA支架。

微納支架影響干細(xì)胞的治療效果遠(yuǎn)不止上述的因素，是由于不同材料本身的復(fù)雜性決定的，包括材料的表面電荷、材料本身的化學(xué)組分、材料的浸潤(rùn)性等，這些因素均會(huì)影響微納材料支架在干細(xì)胞治療中的應(yīng)用。

4 干細(xì)胞用微納支架的發(fā)展前景

隨著再生醫(yī)學(xué)和組織工程技術(shù)的發(fā)展，干細(xì)胞作為種子細(xì)胞在疾病的創(chuàng)傷修復(fù)和組織器官再造方面發(fā)揮著傳統(tǒng)醫(yī)療技術(shù)不可替代的作用。微納支架作為支架材料中的優(yōu)質(zhì)選擇，發(fā)揮著獨(dú)特的作用和優(yōu)勢(shì)，特別是干細(xì)胞與微納支架的有機(jī)結(jié)合，展示了巨大的應(yīng)用潛力。例如，微納支架高的比表面積為干細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖提供了更多的粘附位點(diǎn)；微納支架高的孔隙分布允許干細(xì)胞內(nèi)外營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換且研究表明具有促血管生長(zhǎng)的作用；微納支架的表面修飾，如結(jié)合特定的功能因子或圖案化修飾等，可以人為調(diào)控干細(xì)胞的行為，包括誘導(dǎo)干細(xì)胞向目標(biāo)細(xì)胞分化等，進(jìn)一步影響干細(xì)胞在體內(nèi)的命運(yùn)。干細(xì)胞的研究作為再生醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)研究，雖然受到世界各國(guó)的普遍重視，但目前大部分的干細(xì)胞治療技術(shù)尚處于臨床試驗(yàn)階段。這主要是因?yàn)閷?duì)干細(xì)胞的諸多問題還沒有完全理解，以及結(jié)合微納支架的干細(xì)胞治療也有許多問題還有待解決。例如，干細(xì)胞異質(zhì)性分化、干細(xì)胞移植入體內(nèi)的免疫排斥、微納支架介導(dǎo)的干細(xì)胞分化的背后機(jī)制不清楚、微納米形貌調(diào)控細(xì)胞的形態(tài)，而形態(tài)變化與細(xì)胞增殖、分化等功能的關(guān)系不清楚、干細(xì)胞倫理問題等。世界各國(guó)的科研工作者也正致力于干細(xì)胞基礎(chǔ)研究的深入開展，這些開發(fā)工作基于微納支架復(fù)合干細(xì)胞，并應(yīng)用于多種疾病的治療，如機(jī)械性創(chuàng)傷疾病、免疫系統(tǒng)疾病、心血管系統(tǒng)疾病、遺傳性疾病等。也有人將磁性納米材料與功能支架融合，發(fā)揮功能支架模仿細(xì)胞外基質(zhì)、促進(jìn)細(xì)胞增殖、遷移和分化的作用，而磁性納米材料獨(dú)有的磁學(xué)特性可以發(fā)揮定向引導(dǎo)示蹤、遠(yuǎn)程刺激和熱療作用[80]，兩種材料的深度融合可以在疾病治療中發(fā)揮更好的療效。相信隨著微納材料科學(xué)的發(fā)展和干細(xì)胞與微納支架的深度融合，干細(xì)胞微納功能支架替代原生組織器官等變得極有可能。更多微納支架在干細(xì)胞治療中的作用將被開發(fā)。

5 結(jié) 語

近年來，隨著微納技術(shù)的快速發(fā)展和干細(xì)胞基礎(chǔ)研究的不斷深入，復(fù)合干細(xì)胞的微納功能支架將更加完善，在疾病治療方面將發(fā)揮無可替代的作用，特別是在組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，將為臨床疾病的治療和診斷做出巨大的貢獻(xiàn)。研究者們將針對(duì)目前存在的問題繼續(xù)深入探討，特別是支架介導(dǎo)的干細(xì)胞分化背后的機(jī)制、關(guān)于微納支架局部和全身生物相容性以及潛在毒性的知識(shí)等。干細(xì)胞移植后細(xì)胞的存活、分布和命運(yùn)對(duì)回答有關(guān)劑量、遞送途徑或給藥時(shí)機(jī)的問題至關(guān)重要。隨著微納技術(shù)和干細(xì)胞基礎(chǔ)知識(shí)體系的完善，復(fù)合干細(xì)胞的微納功能支架將會(huì)極大地促進(jìn)再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展，為人類健康做出巨大貢獻(xiàn)。