內(nèi)皮祖細胞與骨髓間充質(zhì)干細胞構(gòu)建血管化組織工程骨的研究進展

劉　歡(綜述)，周　煒，趙銥民(審校)

(軍事口腔醫(yī)學(xué)國家重點實驗室 第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科 陜西省口腔醫(yī)學(xué)重點實驗室，西安 710032)

內(nèi)皮祖細胞與骨髓間充質(zhì)干細胞構(gòu)建血管化組織工程骨的研究進展

劉歡△(綜述)，周煒，趙銥民※(審校)

(軍事口腔醫(yī)學(xué)國家重點實驗室 第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科 陜西省口腔醫(yī)學(xué)重點實驗室，西安 710032)

摘要：組織工程骨早期血管化是促進形成新生骨的先決條件，骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSCs)是成骨細胞的起源，體外誘導(dǎo)條件下可分化為成骨細胞，是組織工程骨常用的種子細胞，但很難解決組織工程骨血管化的問題。內(nèi)皮祖細胞(EPCs)作為內(nèi)皮細胞前體細胞，已應(yīng)用于多種缺血組織模型的血管再生研究。目前已有研究者將其引入組織工程骨構(gòu)建體系，為解決組織工程骨血管化問題提供了新思路和方法。

關(guān)鍵詞：內(nèi)皮祖細胞；骨髓間充質(zhì)干細胞；組織工程骨；血管化

無法建立有效血供是組織工程骨研究的瓶頸問題。體內(nèi)毛細血管僅能為周圍150 μm距離的組織供氧，如果不能很快建立血流灌注，就會引起骨組織中心壞死,因此構(gòu)建血管化的組織工程骨是解決大面積骨缺損修復(fù)的基礎(chǔ)[1]。組織工程骨常用的種子細胞是骨髓間充質(zhì)干細胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)，但面臨血管化的問題。有學(xué)者將內(nèi)皮細胞引入種子細胞，但終末分化細胞難以進行體外擴增培養(yǎng)，不能滿足骨組織血管化再生的需求。Asahara等[2]于1997年從外周血分離培養(yǎng)血管內(nèi)皮祖細胞(endothelial progenitor cells，EPCs)。EPC可在心肌缺血、卒中等組織損傷和重構(gòu)模型中發(fā)揮血管再生作用[3]。EPC主要通過分泌促血管生成因子和分化為成熟內(nèi)皮細胞參與血管形成[4]。現(xiàn)就EPC與BMSC聯(lián)合構(gòu)建血管化組織工程骨的研究進展予以綜述。

1EPC與BMSC的相互作用

1.2BMSC影響EPC形成血管結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性雖然在大量研究中發(fā)現(xiàn)EPC具有在體內(nèi)形成血管網(wǎng)的功能，但也有研究表明，要形成穩(wěn)定的血管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，EPC需要與血管周圍細胞共同作用[8]。生理狀態(tài)下，血管平滑肌細胞作為血管周圍細胞來構(gòu)建穩(wěn)定的血管結(jié)構(gòu)。Melero-Martin等[8]研究發(fā)現(xiàn)，骨髓中的前體細胞在與EPC直接共培養(yǎng)后，開始表達平滑肌細胞標志物平滑肌重鏈肌球蛋白；裸鼠皮下實驗表明，共培養(yǎng)后的EPC與骨髓中的前體細胞形成了穩(wěn)定的血管結(jié)構(gòu)，而單純的EPC并未形成血管結(jié)構(gòu)，且兩種細胞的比例影響著形成血管的功能。Fedorovich等[9]也發(fā)現(xiàn)，BMSC可促進EPC的增殖和成管腔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，將EPC與BMSC作為種子細胞聯(lián)合應(yīng)用構(gòu)建組織工程骨可能會形成穩(wěn)定的內(nèi)部微循環(huán)，促進植入物與骨的整合。

1.3EPC影響B(tài)MSC成骨分化Li和Wang[10]將BMSC與EPC共培養(yǎng)并進行成骨誘導(dǎo)后，通過堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性檢測盒、礦化結(jié)節(jié)染色發(fā)現(xiàn)，與單純BMSC成骨誘導(dǎo)相比，共培養(yǎng)組成骨能力提高，成骨早期標志ALP、Ⅰ型膠原和晚期標志骨鈣素、骨形成蛋白2表達增加。胰島素樣生長因子1是維持骨密度和促進EPC分化的重要因子，通過基因檢測發(fā)現(xiàn)，共培養(yǎng)組胰島素樣生長因子1表達明顯高于單純BMSC組和EPC組，從而發(fā)現(xiàn)EPC/BMSC共培養(yǎng)系統(tǒng)可促進胰島素樣生長因子1的分泌，利于成骨能力的提高[10]。Fedorovich等[9]也發(fā)現(xiàn)，外周血來源的EPC可促進體外培養(yǎng)的BMSC的成骨分化。Zhang等[11]構(gòu)建BMSC成骨誘導(dǎo)膜片后，于膜片上滴加EPC細胞懸液，再將含有EPC的膜片折疊卷曲成圓柱，植入裸鼠皮下，并以單純BMSC成骨誘導(dǎo)膜片為對照，4周后和8周后取材，顯微CT發(fā)現(xiàn)實驗組骨密度大于對照組，組織切片發(fā)現(xiàn)實驗組可形成過多的骨樣組織和血管。雖然兩種細胞的起源有密切聯(lián)系，共同作用時可互相促進，但在EPC和BMSC共培養(yǎng)中，培養(yǎng)條件不同，BMSC 的分化狀態(tài)會受到影響。Rouwkema等[12]研究發(fā)現(xiàn)，臍帶血來源的EPC和BMSC共培養(yǎng)時，BMSC向內(nèi)皮細胞分化，并能形成管腔樣結(jié)構(gòu)，表達內(nèi)皮系標志CD31，吞噬低密度脂蛋白，在體內(nèi)形成可灌流的血管，但在3D培養(yǎng)體系，未經(jīng)誘導(dǎo)的BMSC不能形成血管結(jié)構(gòu)。Usami等[13]研究發(fā)現(xiàn)，成骨誘導(dǎo)液中增加EPC的專用培養(yǎng)基提高了BMSC的ALP活性，但添加了培養(yǎng)EPC的條件培養(yǎng)基后并未發(fā)現(xiàn)BMSC的ALP活性有所變化，但當條件培養(yǎng)基增加到50%時，其ALP活性下降。EPC專用培養(yǎng)基中還有血管內(nèi)皮生長因子等能促進成骨分化的因子，EPC也能分泌部分因子，所以EPC條件培養(yǎng)基的促成骨作用在此體外實驗中可能被專用培養(yǎng)基所掩蓋。但EPC分泌的部分因子可能具有抑制成骨作用的因子，因而造成條件培養(yǎng)基所占比例增加到50%時，ALP活性有所下降[13]。但增加條件培養(yǎng)基與共培養(yǎng)不同，共培養(yǎng)的EPC有持續(xù)分泌的作用。因此，EPC影響B(tài)MSC成骨分化的機制仍需進一步研究。

2EPC與BMSC構(gòu)建血管化組織工程骨支架材料的選擇

2.1β-磷酸三鈣(β-tricalcium phosphate，β-TCP)支架β-TCP 是一種生物相容性較好、在體內(nèi)可生物降解的生物陶瓷。Henrich等[14]將EPC和BMSC共同接種于β-TCP支架，植入裸鼠股骨缺損處，10 d后發(fā)現(xiàn)，負載的細胞仍能表達成骨系基因標志物和內(nèi)皮系基因標志物，說明兩種細胞仍能保持分化狀態(tài)。Seebach等[15]實驗發(fā)現(xiàn)，外周血早期EPC和BMSC 共同接種于β-TCP支架可提高骨缺損區(qū)的血管化，其主要原因是通過EPC分泌、釋放促進血管生成的因子(如血管內(nèi)皮生長因子)，通過免疫熒光染色發(fā)現(xiàn)，人來源的EPC在裸鼠體內(nèi)實驗中參與了植骨區(qū)血管形成。Seebach等[16]進一步構(gòu)建大鼠極限骨缺損模型研究EPC對構(gòu)建組織工程骨的作用，實驗發(fā)現(xiàn)，在1周時，EPC組和共培養(yǎng)組均形成了早期血管化，4周時，共培養(yǎng)組的骨形成顯著增加，8周時共培養(yǎng)組的骨性骨痂結(jié)構(gòu)和極限載荷大于其他組，證明EPC對組織工程骨早期血管化及晚期骨化作用有明顯促進。還有學(xué)者也證明了共培養(yǎng)的細胞和材料復(fù)合體更好地促進了骨再生[17-18]。

2.2血小板-白細胞凝膠(platelet-leukocyte gel，PLG)修飾的陶瓷支架PLG成分包括富血小板血漿、白細胞及凝血酶、鈣劑等，通過凝血酶、鈣劑活化血小板后促進多種生長因子的釋放，從而促進創(chuàng)面愈合，加快骨的生長[19]。PLG可改善生物陶瓷的生物學(xué)活性。Geuze等[20]通過BMSC與EPC共培養(yǎng)，檢測了在體內(nèi)和體外共培養(yǎng)對成骨的作用，在體外的共培養(yǎng)體系中發(fā)現(xiàn)兩種細胞間具有相互促進增殖的作用，在體內(nèi)實驗中，通過將細胞負載于PLG或血漿修飾的陶瓷支架后植入山羊肌肉間，16周后發(fā)現(xiàn)，負載細胞組與材料組相比，增加了骨化作用，BMSC組及共培養(yǎng)組的效果之間無差異，兩組均好于EPC組；實驗同時發(fā)現(xiàn)，使用PLG比血漿更能促進骨形成。

2.3膠原纖維網(wǎng)支架膠原是構(gòu)成結(jié)締組織的主要蛋白，膠原交聯(lián)形成膠原纖維，膠原纖維具有良好的生物相容性和生物降解性，利于維持細胞的黏附和生長。Usami等[13]使用聚乳酸包裹的膠原纖維網(wǎng)作為支架，于中央接種成骨誘導(dǎo)的BMSC，周圍接種EPC，植入裸鼠體內(nèi)12周后取出檢測，發(fā)現(xiàn)接種了兩種細胞的支架表面和中央都形成了礦化組織，通過蘇木精-伊紅染色發(fā)現(xiàn)其骨組織比單純接種BMSC者更為成熟。EPC與BMSC共培養(yǎng)后可復(fù)合各種組織工程骨材料。但目前研究較多的是各種材料的骨引導(dǎo)與骨誘導(dǎo)的作用，對各種材料是否適合EPC黏附及成血管作用研究較少。EPC與BMSC共同構(gòu)建血管化組織工程骨的研究仍處于起步階段，對各種不同材料之間的差別并未有學(xué)者展開詳細研究。

3EPC與BMSC構(gòu)建血管化組織工程骨體外培養(yǎng)條件

在2D共培養(yǎng)體系中發(fā)現(xiàn)，人BMSC與臍帶血來源的EPC共同構(gòu)建組織工程骨時，BMSC可向內(nèi)皮細胞分化，表現(xiàn)內(nèi)皮細胞特點(如形成管腔樣結(jié)構(gòu)、CD31陽性、可吞噬低密度脂蛋白、于體內(nèi)形成血管結(jié)構(gòu))；但在3D共培養(yǎng)體系中，BMSC不再表達CD31，也不再形成血管結(jié)構(gòu)，共培養(yǎng)中的EPC仍能形成血管結(jié)構(gòu)，但必須是分化成熟的EPC，且其效果要好于臍帶靜脈內(nèi)皮細胞及微血管內(nèi)皮細胞，因此認為，EPC可促進血管化組織工程骨的形成，但其分化狀態(tài)很重要[12]。Liu等[21]發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用生物反應(yīng)器可促進人臍帶血來源的EPC和骨髓來源的BMSC負載大孔材料的成血管和成骨作用，動態(tài)培養(yǎng)的BMSC具有更好的礦化作用；在促進成血管方面，體外研究未發(fā)現(xiàn)其成血管優(yōu)勢，但植入裸鼠皮下后發(fā)現(xiàn)，動態(tài)培養(yǎng)的復(fù)合體中，人與鼠細胞嵌合現(xiàn)象是靜態(tài)培養(yǎng)的1.4倍，且細胞分布更均勻，早期的血管滲入及更強的異位骨再生能力顯示出動態(tài)共培養(yǎng)的優(yōu)勢。3D動態(tài)培養(yǎng)與2D靜態(tài)培養(yǎng)相比，在構(gòu)建組織工程骨中有明顯優(yōu)勢，能夠顯著提高支架上細胞的活性并促進骨形成[21-22]。尤其在構(gòu)建大面積組織工程骨時，靜態(tài)培養(yǎng)條件很難滿足材料中央細胞的營養(yǎng)供應(yīng)，3D動態(tài)培養(yǎng)則顯示出極大優(yōu)勢。此外，動態(tài)培養(yǎng)使內(nèi)皮細胞暴露于剪切力環(huán)境，從而影響內(nèi)皮細胞的基因轉(zhuǎn)錄、增殖、出芽及血管穩(wěn)態(tài)[21，23]。

體外培養(yǎng)中培養(yǎng)液的選擇對細胞也有較大影響。BMSC需經(jīng)過成骨誘導(dǎo)才能成為成骨前體細胞，而在BMSC與EPC共培養(yǎng)時，有研究者發(fā)現(xiàn)，EPC不能在骨誘導(dǎo)液中存活，但也有研究者在共培養(yǎng)體系中使用成骨誘導(dǎo)液[13]。有學(xué)者為避免成骨誘導(dǎo)液對EPC的影響，先對BMSC進行成骨誘導(dǎo)后再與EPC共培養(yǎng)[11]。也有學(xué)者因內(nèi)皮培養(yǎng)液中含有促進成骨的因子,而直接使用內(nèi)皮培養(yǎng)基來進行BMSC和EPC共培養(yǎng)[24]。如何選擇共培養(yǎng)的培養(yǎng)液，目前也無最優(yōu)方法。因此，需要研究發(fā)現(xiàn)最適合促進成骨和成血管的培養(yǎng)方法。

4小結(jié)

骨的修復(fù)與再生需要血管和骨細胞在時間和空間上相互影響及緊密配合，因此必須關(guān)注組織工程骨的血管化。雖然在BMSC與EPC共同構(gòu)建組織工程骨中存在各種需要進一步探索的問題和優(yōu)化的細節(jié)，但現(xiàn)有的研究已發(fā)現(xiàn)這種新型的組織工程骨在促進成骨和成血管方面有極大潛力。相信隨著體外共培養(yǎng)技術(shù)的不斷改進、人工材料的不斷改善，EPC和BMSC共同作為種子細胞將為組織工程方法修復(fù)大面積骨缺損提供可能性。

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Research Advances of Vasicularisation of Tissue Engineered Bone Established by Endothelial Progenitor Cells and Bone Mesenchymal Stem Cells

LIUHuan,ZHOUWei,ZHAOYi-min.

(StateKeyLaboratoryofMilitaryStomatology,DepartmentofProsthodontics,SchoolofStomatology,theFourthMilitaryMedicalUniversity,ShaanxiKeyLaboratoryofStomatology,Xi′an710032,China)

Abstract：Early vascularization of a composite is a prerequisite for induction of new bone.However,bone mesenchymal stem cells(BMSCs),as the classical seed cells for bone tissue engineering,failed to meet the requisition for establishing the vascularity and hampered the clinical applications of bone tissue engineering.Endothelial progenitor cells (EPCs) could constitute a valid alternative to MSCs and improve the vascularization process by differentiating into ECs and secreting angiogenic growth factors.The coculture of EPCs and MSCs displays a promising approach to improve early vascularization of tissue engineered bone.

Key words：Endothelial progenitor cells；Bone mesenchymal stem cells； Bone tissue engineering； Vascularization

收稿日期：2015-02-26修回日期：2015-04-25編輯：鄭雪

基金項目：國家自然科學(xué)基金(81271104)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.23.002

中圖分類號：R783.9

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)23-4228-03