原位組織工程技術修復骨與軟骨損傷的應用進展

張俊濤 岳 辰 倘艷鋒 賈宇東 劉又文

1.河南中醫(yī)藥大學洛陽研究生培養(yǎng)工作部，河南洛陽 471002；2.河南省洛陽正骨醫(yī)院 河南省骨科醫(yī)院髖部損傷二科，河南洛陽 471002

骨與軟骨損傷作為臨床常見病，大多由創(chuàng)傷、退變、感染、遺傳、腫瘤等因素引起。目前治療骨與軟骨損傷的方法主要是同種自體骨/異體骨移植、骨搬運、骨膜移植等，此類方法存在手術創(chuàng)傷大、治療周期長、免疫排斥反應、失敗率高的特點[1-2]。自1987 年組織工程技術提出以來，有學者開始嘗試生物學與工程學相結合的方法來開發(fā)受損組織的替代物。但研究發(fā)現[3]，在組織工程中應用骨髓間充質干細胞（bone marrow derived mesenchymal stem cells，BMSCs）治療時，只有2%～12%的細胞可以到達目標區(qū)域。為了更好地治療骨與軟骨損傷，學者們提出了一種新的、完全不同的概念—原位組織工程技術，其通過性能良好的支架材料和自身微環(huán)境的調節(jié)，向損傷部位募集自體干細胞/祖細胞來對骨與軟骨損傷進行修復治療，不再需要傳統(tǒng)組織工程技術所需的外源性種子細胞，避免了外源性種子細胞體外長時間繁殖、植入體內可能產生的免疫排斥等缺點[4]。原位組織工程技術經過多年的發(fā)展，將工程學、細胞生物學和材料學緊密結合，在治療骨與軟骨損傷方面取得了顯著的效果，大大縮短治療時間、降低治療失敗率，為治療骨與軟骨損傷提供了新的思路和方法[5]。但目前因技術問題、成本問題及臨床試驗的缺乏等，具體將其應用于臨床治療骨與軟骨損傷并觀察其長期效果還需大量研究。

1 原位組織工程技術的三要素

1.1 種子細胞

BMSCs 存在于骨髓中，含量在0.01%以下，因其取材方便、最易募集、具有較強的增殖能力和定向分化能力被最早選為種子細胞應用于組織工程[6-7]。當組織受到創(chuàng)傷時，BMSCs 能夠進入外周血，自發(fā)的從器官或骨髓定向遷移至受傷組織參與血管生成、組織修復過程，這是一種內在的自發(fā)性愈合反應[8-10]。

有學者曾研究通過募集內皮細胞至創(chuàng)傷部位，使支架材料血管化，但內皮細胞具有存活力差、黏附性差且易老化的缺點[11]。隨后學者們將目光對向了內皮細胞的前體細胞—內皮祖細胞，其主要分布在骨髓中，具有良好的分化能力和增殖能力，很多研究者將其作為種子細胞應用于原位組織工程技術中，在趨化因子的誘導下，募集至創(chuàng)傷部位進行分化增殖，修復創(chuàng)傷組織[12]。

1.2 趨化因子

趨化因子是干細胞動員和歸巢的有效因子，誘導種子細胞遷移的同時促進干細胞增殖分化，并通過與細胞表面相應抗體特異性結合促進細胞黏附，通過募集種子細胞歸巢修復損傷的骨與軟骨，達到原位組織再生的目的[13]。控制趨化因子的遞送、延長其效應時間，在損傷部位增加特異性趨化因子的濃度來增強內源性干細胞募集以達到放大原位組織的再生策略是目前研究的一個方向[13]。經研究發(fā)現，機體自身具有引導種子細胞向損傷部位聚集并對損傷部位進行修復的作用，但低“歸巢”率、低存活率和低分化率嚴重影響了損傷部位的修復[14]。

基質細胞衍生因子-1（stromal cell-derived factor 1，SDF-1）是目前研究應用最多的趨化因子。研究發(fā)現[7]，SDF-1 在BMSCs 的歸巢、作用時間以及分化方面都有至關重要的作用。SDF-1 也被稱為CXCL12，與其受體CXCR4（C-X-C chemokine receptor 4）可以特異性結合，兩者相互作用后不僅對BMSCs 具有明顯定向趨化作用，還有效抑制BMSCs 的凋亡，增加其存活率和增殖活性[7,14]。研究發(fā)現[15]，BMSCs 的歸巢與一定范圍內SDF-1 的濃度呈正相關，濃度100 ng/mL 為分界點，當高于這個點時，BMSCs 的遷移量逐漸減少，當低于100 ng/mL 時，隨著濃度的增加，遷移量逐漸增加。此外，還有許多具有趨化作用的細胞因子在原位組織工程發(fā)揮其作用，如單核細胞趨化蛋白1、血小板衍生生長因子、血管內皮生長因子、胸腺表達趨化因子等[17]。

1.3 支架材料

支架材料是原位組織工程技術的關鍵部分，其作為細胞的載體在募集種子細胞的同時能夠引導細胞的生長和浸潤。支架材料良好的生物降解性、無害代謝產物是組織修復成功的重要影響因素[18]。另外，支架材料能夠黏附細胞同時將細胞存留在受損部位，防止其隨著血液的流動而流失。支架材料的功用大小與其微觀結構和孔隙率有著至關重要的關系，支架的微觀結構和設計是控制細胞局部遷移的有效工具，同時能夠調節(jié)細胞浸潤及炎癥反應，因此對支架材料的關注點多在通過多種技術來調節(jié)支架材料的結構和孔隙率，以期能夠更好地調節(jié)適應細胞和體內微環(huán)境[19]。

目前對支架材料的關注點在于：通過相關技術（如納米技術、低溫技術、3D 生物打印技術和基因工程等）將不同的生物材料相結合來制備高性能的復合材料，來克服以往材料的缺陷，以期能夠更好適應體內微環(huán)境的同時，又能夠對損傷部位起到更好的修復作用[20-21]。

2 原位組織工程技術在治療骨損傷方面的應用

骨缺損一直以來都是臨床醫(yī)生面對的一大困難，目前臨床上治療骨缺損的方法主要有骨移植技術、llizarov 骨搬運技術、Masquelet 誘導膜技術、鈦網cage技術、基因治療和組織工程技術等，這些治療方法雖在一定方面具有成效，但其治療存在局限性（如大面積骨缺損）[22]。隨著原位組織工程技術的研究不斷深入，將其應用于治療骨損傷取得了良好的效果。運用原位組織工程技術修復骨損傷的關鍵問題在于尋找一種具有良好的機械性能、最小的炎癥和免疫反應、能夠募集種子細胞遷移至損傷部位并促進細胞增殖和分化的特異性支架。

目前用于治療骨損傷的常用種子細胞和趨化因子為BMSCs 和SDF-1，BMSCs、SDF-1 聯合支架材料修復骨缺損成為了目前研究的熱點[4,23]。研究顯示[24]，將支架材料與趨化因子或種子細胞相結合治療骨缺損具有良好效果。Hibi 等[25]將支架材料聯合BMSCs和富血小板血漿成功修復牙槽裂骨缺損。Redondo 等[26]應用BMSCs 聯合支架材料修復上頜囊性骨缺損，并取得良好的治療效果。Niu 等[27]將膠原支架材料與SDF-1 合并植入小鼠體內，6 周后觀察骨損傷部位，發(fā)現有毛細血管和骨質生成。因此，將支架材料、趨化因子及種子細胞相結合，能對骨損傷起到良好的修復作用。

3 原位工程技術在治療軟骨損傷方面的應用

軟骨是特化的致密結締組織，沒有血管和神經，當受到創(chuàng)傷后很難自發(fā)修復，當人軟骨損傷達到3 mm時，很難自發(fā)修復[28]。原位組織工程技術修復軟骨的機制是：通過植入可降解多孔支架材料，其能夠模擬體內微環(huán)境，在趨化因子的引導下，使種子細胞歸巢至受損軟骨區(qū)域并定向分化為軟骨細胞來達到修復作用。Chen 等[29]制備一種具有良好機械性能的膠原支架材料，該支架材料本身具有誘導BMSCs 在支架中遷移的能力，將其與SDF-1 結合植入兔軟骨缺損模型中，于術后6、12 周取出標本觀察軟骨修復情況，結果發(fā)現：該支架材料能夠促進軟骨再生和修復。

近年來有學者將支架材料與細胞因子相結合，引導種子細胞歸巢至受損軟骨進行修復。李祥全等[30]應用微骨折聯合自體BMSCs 外基質支架來修復豬膝關節(jié)軟骨缺損，制備雙側雙膝股骨髁、股骨滑車部全層軟骨缺損模型，采用自體對照；運用交聯、冷凍技術將收集的基質膜制備成三維多孔支架。結果發(fā)現：術后6 個月，試驗組股骨滑車和股骨髁處均見修復后表面光滑的軟骨，對照組股骨滑車修復組織表面較平整，而股骨髁未見明顯修復。孟慶陽等[18]采用豬腹膜脫細胞基質（pig peritoneum-derived acellular matrix，PPAM）支架聯合微骨折治療軟骨損傷，PPAM 支架具有良好的生物相容性，含有致密層和疏松層等特殊結構，可以有效在黏附細胞的同時將細胞留存于損傷軟骨部位來修復軟骨組織。結果發(fā)現：PPAM 支架對細胞生長和增殖具有良好的支持作用。綜上可見，原位組織工程技術治療損傷的軟骨能達到良好的效果，但選取何種支架材料能達到更好的治療效果，尚缺乏研究。

4 展望

骨與軟骨損傷在作為臨床常見病，如何有效治療骨與軟骨損傷成為了學者們一直探索的問題。目前對其治療方法也是多種多樣，但存在治療時限長、失敗率高、費用較大的缺點。原位組織工程技術的提出在很大程度上解決了傳統(tǒng)治療手段存在的不足，其通過支架材料的理化性質模擬體內微環(huán)境，結合趨化因子募集大量的種子細胞歸巢，對受損部位進行有效、及時的修復。有大量研究顯示，原位組織工程技術在治療骨與軟骨損傷方面具有良好的效果，這為以后將其應用于臨床提供了理論依據。但原位組織工程技術目前也存在相關缺陷，臨床應用研究尚不深入，還需要進行更多的臨床相關性的實驗，原位組織工程技術的相關機制還尚需進一步證實。相信在不斷的堅持和努力下，該項技術能更好的應用于臨床，使更多患者受益。