脂肪干细胞在软骨组织工程中的应用

2011-02-11蔡增苗林昭静任富亮

中国医药指南 2011年16期

关键词：充质生长因子软骨

蔡增苗林昭静任富亮

（中国医科大学临床医学七年制，辽宁沈阳 110001）

脂肪干细胞在软骨组织工程中的应用

蔡增苗林昭静任富亮

（中国医科大学临床医学七年制，辽宁沈阳 110001）

软骨组织工程的兴起为软骨缺损的修复重建提供了新的治疗途径，但是由于缺乏合适的种子细胞，发展相对缓慢。脂肪干细胞来源广，含量丰富，创伤小，有望成为理想的种子细胞。本文就脂肪干细胞软骨诱导的几种方法做一综述，希望为以后脂肪干细胞在软骨组织工程的应用和发展提供理论基础。

脂肪干细胞；软骨组织工程；软骨诱导

软骨组织缺乏血管和神经，软骨细胞主要靠关节滑液及细胞周围的基质供给营养，其自身修复能力相当有限。软骨缺损和软骨退行性改变一直是医学面临的挑战之一。自体软骨移植供区有限，损伤大，异体软骨移植存在强烈的免疫排斥反应。软骨组织工程为软骨缺损的修复重建提供了新的治疗途径。

1 种子细胞

软骨是最早应用组织工程技术成功构建的组织之一，但是目前软骨组织工程的发展却远远落后于骨和皮肤，主要原因就是缺乏合适的种子细胞。理想的软骨种子细胞应具有以下特点：①取材方便，对机体创伤小；②植入受体后对机体免疫排斥反应小；③在体外培养时有较强的增殖能力；④能稳定保持软骨细胞表型[1]。

1.1 软骨细胞

软骨细胞是最早应用的软骨组织工程种子细胞，但是软骨细胞来源有限，取材过程对供体损伤大，而且是终末细胞，增殖能力较弱，体外培养三代以上就会出现去分化现象[2]，丧失成软骨能力，软骨细胞移植后软骨下骨通常得不到有效修复，移植物与软骨下骨间的愈合不良常导致移植物脱落或退变。因此软骨细胞不是理想的种子细胞。

1.2 骨髓间充质干细胞

骨髓间充质干细胞（MSC）能够自我繁殖，具有多向分化潜能，能够定向诱导分化成软骨细胞，且随细胞的扩增，细胞的性状和分化保持不变，是较理想的种子细胞。但是MSC表达多种表面标志物，目前还没有一个特异性的表面标志物，因此MSC的分离鉴定比较困难。而且取材困难、给病人带来的痛苦大，加之骨髓中的间充质干细胞含量非常少，上述不足限制了MSC的应用。

1.3 脂肪干细胞

2001年，Zuk等发现脂肪抽吸物中存在具有多项分化潜能的细胞，并首次命名为脂肪干细胞（ADSC）。以后的实验发现ADSC贴壁能力强，对培养基的营养需求低，对血清无特殊选择性，体外易于培养，体外倍增速度快于骨髓间充质干细胞，而且传代过程中，细胞增殖能力稳定。另外，ADSC来源于脂肪组织，来源广，含量丰富，提取过程简单，创伤小，有望成为理想的种子细胞。

2 脂肪干细胞构建软骨组织的应用现状

软骨的形成是基因在体内特定微环境下选择性表达的结果，ADSC构建软骨组织的根本点就是要模仿体内微环境，诱导基因选择性表达。目前应用于ADSC软骨诱导的方法主要有如下几种：

2.1 生长因子

多种生长因子在软骨的发生中起重要作用。转化生长因子β（TGF-β）超家族作用于软骨分化的始终，该家族包括TGF-β和骨形态发生蛋白（BMP）两个亚家族，TGF-β亚家族抑制软骨细胞的肥大分化，维持生长板中适量的软骨细胞；BMP亚家族能起始间充质细胞向软骨细胞分化并维持软骨细胞的特性，而且促进软骨细胞的成熟。常染色体性别反转基因（SOX9）家族是软骨生成中发挥主导作用的另一调节因子，SOX9促进前体干细胞的聚集，维持软骨细胞增殖，抑制其向肥大软骨细胞分化。此外胰岛素样生长因子（IGF-1）、软骨形态发生蛋白（CDMP1）等均发挥重要作用。在培养基中加入一种或多种生长因子可以诱导脂肪干细胞定向分化为软骨细胞。如CDMP1的单独应用、TGF-β1和IGF-1的联合应用。联合应用的效果要优于单独应用。较为理想的添加细胞因子的方法是细胞因子的序贯应用，但由于干细胞向软骨细胞分化的机制尚不完全清楚，该方法受到限制。

2.2 共培养

软骨细胞不仅可以分泌多种细胞因子如TGF-β等，还可以分泌Ⅱ型胶原等特异的软骨细胞外基质。软骨细胞与脂肪干细胞共培养，在无需添加生长因子的条件下就能提供脂肪干细胞向软骨细胞分化的微环境，诱导软骨细胞形成，解决了生长因子造价高昂的缺点。张勇等分离共培养正常新西兰大白兔的脂肪干细胞和软骨细胞，证实与软骨细胞共培养后，脂肪干细胞可以被诱导成软骨样细胞。这一研究成果为共培养体内修复软骨损伤提供了依据。

2.3 转基因

外源性生长因子持续时间短，需反复添加，造价高昂，基因工程技术与软骨组织工程技术相结合构建基因工程化软骨解决了上述问题。将各种生长因子的基因导入种子细胞中，使细胞在增殖分化的同时表达所需的生长因子，继而通过自分泌或旁分泌途径促进其进一步增殖分化，这已成为构建软骨组织工程的新途径。贺明等用SOX-9和TGF-β1共同转染大鼠脂肪干细胞，结果TGF-β1和Ⅱ型胶原表达均以SOX-9和TGF-β1共转染组最多，证实SOX-9和TGF-β1共转染ADSC成功诱导大鼠ADSC向软骨细胞分化。这为外源性基因转染脂肪干细胞构建软骨组织工程种子细胞提供了依据。

2.4 疏密波

吴广文等分离培养大鼠骨髓间充质干细胞，用疏密波诱导第三代细胞，诱导14d后，大鼠骨髓间充质干细胞分化为软骨细胞表型，并证实疏密波诱导的机制是上调核心结合因子a1和SOX-9 的mRNA的表达从而促进糖胺聚糖和Ⅱ型胶原的表达。鉴于脂肪干细胞与骨髓间充质干细胞的诸多相似性，我们有理由推测疏密波也可用于诱导脂肪干细胞向软骨细胞的分化。

3 面临问题

虽然软骨诱导的方法在不断地改善，但是目前ADSC应用于软骨组织工程依然面临很多问题。ADSC的成软骨率有待提高，ADSC构建软骨组织的效果不如骨髓间充质干细胞理想。目前尚未发现ADSC的特异性标记物，无法得到纯化的ADSC亚群，因此寻找ADSC特异性的表面标志物对于ADSC的分离纯化至关重要。另外ADSC体外长期培养的安全性有待进一步证实，有研究称长时间培养的ADSC可使免疫缺陷的小鼠发生肿瘤。