軟骨組織工程綜述.doc

軟骨組織工程 王珍 白求恩醫(yī)學(xué)院 70100338 關(guān)節(jié)軟骨雖然為新陳代謝活躍的組織, 但位于間質(zhì)中的軟骨細(xì)胞的代謝周期卻相當(dāng)長, 因?yàn)殛P(guān)節(jié)軟骨為無血管組織, 所以自我修復(fù)能力相當(dāng)有限, 輕微傷害即有可能導(dǎo)致漸進(jìn)式的損害與退化。目前的治療方法均不能實(shí)現(xiàn)軟骨的生物修復(fù)，缺損軟骨的修復(fù)問題成為臨床上較為棘手的問題之一。組織工程學(xué)的發(fā)展為解決這個(gè)問題提供了新思路，使缺損軟骨的完全再生成為可能。軟骨組織工程是在體外培養(yǎng)、擴(kuò)增軟骨組織細(xì)胞，并以較高密度將其種植已于具有良好生物相容性和降解性的支架材料上，在多種調(diào)節(jié)因素的作用下經(jīng)過一定周期形成組織工程化軟骨的技術(shù)手段。其基本方法是將自體或異體的組織細(xì)胞經(jīng)體外培養(yǎng)擴(kuò)增后，接種到一種生物相容性良好、可吸收的生物材料上，形成細(xì)胞生物材料復(fù)合物，再回植到體內(nèi)組織缺損部位，隨著生物材料逐漸被機(jī)體吸收，細(xì)胞分化、生長成新的有功能的組織，從而達(dá)到修復(fù)缺損的目的。軟骨組織工程研究涉及到種子細(xì)胞、支架材料和生長因子和生物反應(yīng)器4個(gè)基本要素。1.種子細(xì)胞理想的種子細(xì)胞應(yīng)具備以下特性: 取材方便，對供體損傷小，來源充足; 體外培養(yǎng)增殖能力旺盛，能持續(xù)保持細(xì)胞表型不變; 植入體內(nèi)能適應(yīng)受區(qū)環(huán)境并保持原有細(xì)胞的功能。目前應(yīng)用于軟骨組織工程研究的種子細(xì)胞主要有: 自體軟骨細(xì)胞、異體軟骨細(xì)胞、成體干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞、其他來源的細(xì)胞。1.1 自體軟骨細(xì)胞 自體軟骨細(xì)胞用作構(gòu)建組織工程化軟骨組織有其不可替代的優(yōu)點(diǎn), 不必考慮免疫排斥反應(yīng)問題，所以是構(gòu)建效果最理想的種子細(xì)胞。但人體內(nèi)可供利用的軟骨細(xì)胞數(shù)量極為有限，取材創(chuàng)傷較大，大量擴(kuò)增后又極易發(fā)生老化與去分化，喪失軟骨形成能力。有拆東墻補(bǔ)西墻和得不償失之感。因此，應(yīng)用自體軟骨細(xì)胞構(gòu)建軟骨組織在臨床上很難推廣應(yīng)用。12 同種異體軟骨細(xì)胞 同種異體軟骨細(xì)胞容易獲得且來源豐富，且軟骨組織內(nèi)部無血管、淋巴管及神經(jīng), 軟骨細(xì)胞被包裹在軟骨陷窩內(nèi), 此厚厚的軟骨囊成為其天然屏障 , 可阻擋免疫細(xì)胞攻擊。因此, 軟骨細(xì)胞具有抗原性弱、不易被機(jī)體免疫系統(tǒng)排斥等特點(diǎn)。新生軟骨組織均無血管化減少了同種異體植入的免疫排斥反應(yīng)強(qiáng)度。理論與事實(shí)還是有一定差距的，同種異體細(xì)胞仍會(huì)發(fā)生一定的免疫排斥。且與異種器官移植所面臨的倫理學(xué)問題一樣, 異種細(xì)胞的來源, 以及用于移植的細(xì)胞能否被用來買賣和植入患者體內(nèi)后, 患者的心理能否適應(yīng)等, 都需要在治療前讓患者充分了解, 并作好相應(yīng)的心理準(zhǔn)備。1 3 成體干細(xì)胞 成體干細(xì)胞可來源于骨髓、脂肪、皮膚、肌肉等各類組織1 3 1 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞是目前研究最多、應(yīng)用最廣的種子細(xì)胞之一。主要是因?yàn)槠浒l(fā)現(xiàn)早、取材方便、創(chuàng)傷小、培養(yǎng)方法易普及。間充質(zhì)干細(xì)胞由于是自體細(xì)胞經(jīng)過體外擴(kuò)增誘導(dǎo)后重新回植, 所以病人更容易在心理上接受, 涉及的倫理道德問題也較少, 因此已成為組織工程軟骨組織種子細(xì)胞的主要來源。1 3 2 脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞 脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞相比，脂肪間充質(zhì)肝細(xì)胞 在人體內(nèi)分布更廣，可利用的細(xì)胞總量更多，而且所需的脂肪組織可經(jīng)整形外科吸脂術(shù)獲得，由此可見，在種子細(xì)胞的來源上，脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞較骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞更具優(yōu)勢。但脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞在軟骨組織構(gòu)建及缺損修復(fù)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用卻遠(yuǎn)不如骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，究其原因是目前常用的分離方法從脂肪組織中得到的細(xì)胞不可避免地會(huì)含有大量的混雜細(xì)胞，尚無法得到純化的具有軟骨分化潛能的脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞亞群。如果能解決細(xì)胞純化的問題，脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞將成為最有價(jià)值的種子細(xì)胞。1 4 胚胎干細(xì)胞 胚胎干細(xì)胞由胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)或原始生殖細(xì)胞經(jīng)體外抑制培養(yǎng)而篩選出的細(xì)胞，因此進(jìn)行胚胎干細(xì)胞研究就必須破壞胚胎。在美國等注重人權(quán)的國家認(rèn)為胚胎是人尚未成形時(shí)在子宮的生命形式,如果支持進(jìn)行胚胎干細(xì)胞研究就等于是慫恿他人“扼殺生命”，是不道德的，違反倫理的。然而包括我國在內(nèi)的大多數(shù)國家的法律是從嬰兒分娩的那一刻算起才將胚胎定義為人, 如此認(rèn)定在法律上簡單明了、便于執(zhí)行。胚胎干細(xì)胞讓我們在在科學(xué)與人文之間尋求平衡。一方面, 它要維護(hù)科學(xué)的利益, 保護(hù)和促進(jìn)科學(xué)的健康發(fā)展, 而不能成為科學(xué)發(fā)展的障礙。另一方面, 它又要維護(hù)人的權(quán)利和尊嚴(yán), 使科學(xué)更好地為人類造福, 而不是危害人類。所以要利用胚胎干細(xì)胞首先要解決好倫理問題。1 5 其他細(xì)胞2 支架材料組織工程用細(xì)胞支架一般應(yīng)具備良好的生物相、容性、良好的生物可降解性、良好的材料 細(xì)胞界面及良好的消毒性能，并具有可加工的三維立體結(jié)構(gòu)和一定的機(jī)械強(qiáng)度。選擇合適的材料制備細(xì)胞支架是目前軟骨組織工程研究亟須解決的問題。支架材料分為天然生物材料和人工合成高分子材料。2.1 天然生物材料 天然生物材料主要有：膠原（或型）、硫酸軟骨素、脫鈣骨基質(zhì)、瓊脂糖、海藻酸鈉、纖維素、殼聚糖、纖維蛋白膠、明膠、透明質(zhì)酸、絲素蛋白等。但天然的生物材料缺乏一定的機(jī)械強(qiáng)度。22人工合成支架 盡管人工合成支架被證明有利于細(xì)胞的黏附、增值、分化等優(yōu)點(diǎn)。但也存在一定的局限性, 如缺乏細(xì)胞識別信號、親水性差、對細(xì)胞的吸附能力差且降解產(chǎn)物如聚乳酸，易引起非炎癥性反應(yīng)等。3生長因子生長因子分為兩類：具有促進(jìn)作用的因子；具有抑制作用的因子。主要作用是促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖、分化。多種生長因子聯(lián)合應(yīng)用軟骨的生長代謝是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，需要多種生長因子的參與。一種細(xì)胞可能同時(shí)受到多個(gè)生長因子的調(diào)節(jié)，一種生長因子也可以同時(shí)作用于多種細(xì)胞，不同的生長因子之間相互影響、相互協(xié)同或相互拮抗，彼此形成縱橫交錯(cuò)的復(fù)雜關(guān)系。因此，多個(gè)因子的聯(lián)合應(yīng)用以及其他因素與因子間的相互作用受到研究者的關(guān)注。4.生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器主要是通過模擬體內(nèi)軟骨微環(huán)境，為體外軟骨的形成提供一個(gè)動(dòng)態(tài)的力學(xué)刺激，以進(jìn)一步提高體外構(gòu)建軟骨的基質(zhì)合成及力學(xué)性能。展望軟骨組織工程學(xué)發(fā)展至今，已與臨床應(yīng)用非常接近，但要真正走向臨床仍有很多具體的問題需要解決。只有解決了如何進(jìn)行宏觀組織塊的體外培養(yǎng)、如何構(gòu)建能滿足體內(nèi)力學(xué)環(huán)境要求的成熟的功能化組織工程化軟骨、組織工程化軟骨如何植入體內(nèi)并發(fā)揮生理功能這3 個(gè)難題，軟骨缺損修復(fù)的組織工程化才能真正實(shí)現(xiàn)。目前來講，種子細(xì)胞的選擇以及成熟的組織工程化軟骨的體外構(gòu)建將是研究的熱點(diǎn)。相信不久的將來，組織工程化軟骨會(huì)應(yīng)用到臨