泌尿系統(tǒng)組織工程支架材料的研究進展

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。