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      泌尿系統(tǒng)組織工程支架材料的研究進展

      2022-04-07 13:46:35李露
      生物化工 2022年5期
      關(guān)鍵詞:絲素泌尿系統(tǒng)尿路

      李露

      (1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院,江蘇蘇州 215123;2.現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室,江蘇蘇州 215123)

      泌尿系統(tǒng)由上尿路和下尿路組成,上尿路為腎、輸尿管,下尿路為膀胱和尿道。在上尿路和下尿路中經(jīng)常會出現(xiàn)先天性畸形、炎癥、缺損、腫瘤及狹窄等一系列的疾病,且往往伴隨尿路的重建和修復,而組織工程支架材料在這一過程中具有不可缺少的的重要作用[1]。組織工程材料是通過材料和生物醫(yī)學相關(guān)知識和技術(shù)的結(jié)合而制成的一種復合替代材料。組織工程利用生物材料來修復組織缺損和重建新的組織,以達到修復組織、器官或全部機體功能的目的。隨著醫(yī)療需求及材料和技術(shù)的不斷發(fā)展,組織工程支架材料成為醫(yī)療領(lǐng)域的重點研究方向之一。

      1 泌尿系統(tǒng)組織工程支架材料的性能要求

      1.1 生物相容性

      理想的泌尿系統(tǒng)組織工程支架材料應具備良好的生物相容性,為細胞提供良好的生長環(huán)境,促進組織修復。在組織修復的過程中,生物材料不與原有的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生免疫排斥反應,本身及置入后不產(chǎn)生有毒物質(zhì)。

      1.2 生物可降解性

      理想的泌尿系統(tǒng)組織工程支架材料應具備生物可降解性,且降解產(chǎn)物不會造成阻塞或生物損害,可有效避免材料置入后因遺忘而二次手術(shù)取出的痛苦。非降解性的材料在人體內(nèi)容易引起尿路感染、尿鹽沉積及結(jié)石等現(xiàn)象,因此在選擇泌尿系統(tǒng)修復材料時應首選具有生物可降解性的材料[2]。

      1.3 力學性能

      理想的泌尿系統(tǒng)組織工程支架材料應具備良好的力學性能,可承受一定的壓縮和擴張形變,有一定的支撐力,能夠保證輸尿管或者尿道的引流作用并能夠使泌尿系統(tǒng)保持長期通暢[3]。人體環(huán)境長期處于非靜止的狀態(tài),泌尿系統(tǒng)功能機制是腎臟運轉(zhuǎn)將尿液通過輸尿管排至膀胱,最后由膀胱壓至尿道排出尿液。這一過程涉及泌尿系統(tǒng)動力學,因此組織工程支架材料的力學性能也是非常重要的。

      2 組織工程支架材料的研究現(xiàn)狀

      2.1 小腸黏膜下層

      小腸黏膜下層(Small Intestinal Submucosa,SIS)是一種脫細胞基質(zhì)材料,通過外部機械作用去除組織中的抗原細胞成分,保留了天然的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),并含有各種轉(zhuǎn)化生長因子,可促進組織再生和創(chuàng)面愈合。該類材料具有較好的生物組織相容性和親和性,其含有的生長因子具有調(diào)節(jié)、誘導組織特異性再生分化的能力,為泌尿系統(tǒng)的修復和重建提供了可能。此外,SIS可在4~8周完全降解,降解產(chǎn)物隨尿液排出。與其他生物材料相比,SIS還具有較好的力學拉伸性能,如WU等[4]將尿源性干細胞(Urine-derived Stem Cells,USC)分化成的尿路上皮細胞(Urothelial Cells,UC)和平滑肌細胞(Smooth Muscle Cells,SMC)種植在改良的三維多孔SIS支架上,形成工程化的尿道組織,UC和SMC可以在三維多孔SIS支架上維持生長,而且動態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)促進了三維細胞基質(zhì)的生長和類似天然尿路組織的多層黏膜結(jié)構(gòu)發(fā)育。盡管SIS有許多優(yōu)良的生物學特性,但也有其局限性,如在臨床實驗中使用效果不佳,再生潛力取決于供體的年齡和小腸面積等。

      2.2 膀胱無細胞基質(zhì)

      膀胱無細胞基質(zhì)(Bladder Acellular Matrix,BAM)是由膀胱黏膜下層去除細胞而來的一種三維支架結(jié)構(gòu),其主要成分是細胞外基質(zhì),所含的生長因子可以讓種子細胞向周圍組織遷移,促進血管的形成,已證明可支持體內(nèi)尿道的再生。GU等[5]在兔模型上使用膀胱無細胞基質(zhì)進行尿道成形術(shù),4周后植入細胞支架顯示出正常的尿道結(jié)構(gòu),6個月后無論是外觀還是組織學上都很難將新尿道與天然尿道區(qū)分開來。但目前的脫細胞技術(shù)還有待改進,BAM中存在殘留的免疫原性成分,這些異種抗原體極有可能引起炎癥反應,從而導致移植排斥和功能衰竭[6]。

      2.3 膠原蛋白

      膠原蛋白(Collagen)主要取自跟腱、韌帶、結(jié)締組織,是細胞外基質(zhì)的主要成分之一,具有生物相容性好、柔韌性優(yōu)異、表面較為親水以及容易大量制備等特點。VERSTEEGDEN等[7]制備了一種具有形狀恢復和徑向彈性的管狀支架,經(jīng)形態(tài)表征和力學測試,接種鱗狀膀胱癌細胞的支架表現(xiàn)出良好的彈性。BOUHOUT等[8]使用膠原蛋白模擬膀胱的自然形狀,構(gòu)建出應用于膀胱的組織工程支架,支架內(nèi)外表面分別培養(yǎng)膀胱間充質(zhì)細胞和尿路上皮細胞。研究表明,膠原生成,平滑肌細胞沿管腔表面鋪排生長,該膀胱衍生支架與天然組織相似,為組織工程化膀胱植入物提供了可能性,具有應用于部分替換病理性膀胱部位的潛力。

      2.4 海藻酸鈉

      海藻酸鈉(Sodium Alginate,SA)是一種天然聚合物,當與二價陽離子交聯(lián)時形成可生物降解的水凝膠。海藻酸是β-D-甘露糖醛酸(Mannuronic acid,M)和α-L-古洛糖醛酸(Guluronic acid,G)的無規(guī)嵌段共聚物,海藻酸鹽水凝膠的性質(zhì)取決于G-嵌段和M-嵌段的含量,M-嵌段的水凝膠比G-嵌段的水凝膠更為柔軟。海藻酸鈉水凝膠可用于促進傷口愈合的敷料以及骨損傷修復、關(guān)節(jié)軟骨再生、細胞生長的支架和藥物載體。KLEKIEL等[9]以海藻酸鹽為原料制備水凝膠支架,對水凝膠進行了強度測試,分析了材料與尿道相互作用的特點,設(shè)計了支架的幾何尺寸,并置入兔尿道內(nèi)。結(jié)果表明,置入后的支架可以在一定直徑范圍內(nèi)有效且無損傷地擴張到尿道內(nèi),使尿液自由流動,滿足支架在尿道壁處受擠壓時應滿足的強度要求。

      2.5 絲素蛋白

      絲素蛋白(Silk Fibroin,SF)占蠶絲總成分的70%~80%,由18種氨基酸組成,是一種天然生物材料。絲素蛋白大分子構(gòu)象主要有Silk Ⅰ、Silk Ⅱ和Silk Ⅲ3種:Silk Ⅰ是一種無定形構(gòu)象,主要是結(jié)晶度較低的無規(guī)卷曲和α-螺旋結(jié)構(gòu),處于亞穩(wěn)定狀態(tài);Silk Ⅱ是一種反平行的β-折疊構(gòu)象,主要是結(jié)晶度較高的β-折疊與β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu);Silk Ⅲ是一種多維度的螺旋構(gòu)象,介于Silk Ⅰ和Silk Ⅱ之間的亞穩(wěn)態(tài)[10]。絲素蛋白大分子結(jié)構(gòu)在外界條件的影響下可以相互轉(zhuǎn)換,如混入有機溶劑、改變溫度和溶液的pH值及水蒸氣處理等調(diào)控,可以誘導不穩(wěn)定的Silk Ⅰ結(jié)構(gòu)向穩(wěn)定的Silk Ⅱ結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變。正因如此,絲素蛋白具有可控調(diào)節(jié)降解性、可自組裝性、生物相容性較好等特點,在尿道重建中具有潛在的應用前景。

      CHUNG等[11]采用溶劑澆鑄/鹽浸法制備了雙層絲素蛋白基質(zhì),并結(jié)合絲素膜澆鑄制備了絲素膜三維支架,并使用該材料進行了尿道成形術(shù),對照組動物接受SIS植入術(shù)或單純尿道切開術(shù)。結(jié)果表明,SF和SIS支架均能在原始缺損部位促進相似程度的平滑肌和上皮組織再生,分別有顯著的收縮蛋白(α-平滑肌肌動蛋白、平滑肌蛋白22α)和細胞角蛋白表達,所有再生組織中均有再生的神經(jīng)和血管。雙層SF支架是一種很有前途的嵌套式尿道成形術(shù)的生物材料,與傳統(tǒng)的SIS支架相比,能夠促進相似程度的組織再生,但免疫原性有一定程度的降低。

      3 結(jié)語

      基于可降解的天然生物材料組織工程解決方案已經(jīng)成為成功恢復泌尿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從而實現(xiàn)其功能的潛在替代方案。生物組織工程材料支架具有修復泌尿系統(tǒng)組織缺損或重建的實用價值,但目前泌尿系統(tǒng)組織工程支架材料的研發(fā)和應用并不理想,存在來源短缺問題,相對于不可降解的聚合物材料來說其力學性能較差,且不可能完全復制天然細胞外環(huán)境等缺點。尿路上皮與基質(zhì)之間的相互作用,組織工程移植物與宿主組織環(huán)境之間的雙向相互作用,都是組織重建取得更好效果的重要因素。因為,未來泌尿系統(tǒng)組織工程支架材料可以與合成聚合物材料相結(jié)合,協(xié)同調(diào)控支架的性能,支持不同組織層的形成和血管化,模擬天然組織結(jié)構(gòu),盡可能滿足臨床性能要求。

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