软骨修复重建中细胞载体的研究进展*

许同龙 施忠民

（上海市第六人民医院骨科，上海200233）

软骨修复重建中细胞载体的研究进展*

许同龙 施忠民**

（上海市第六人民医院骨科，上海200233）

细胞载体（cellscaffold）是一种细胞培养技术，即以特定的材料作为载体，将合适的种子细胞种植于载体上，使其能够附着于载体上缓慢生长的一种技术。在软骨损伤后的修复重建工程中，细胞载体技术正得到越来越广泛的应用。

在软骨修复重建的组织工程中，细胞必须种植在一个可以维持三维结构并能提供软骨中细胞随着时间的发展所需要的不断变化的机械支持的环境中。因此，所选择的细胞载体必须满足以下条件：载体材料可生物降解、无细胞毒性、有合适的机械性能（与正常软骨细胞基质相似）和能够调节细胞的活动性；同时载体必须有适当的表面化学，有能力被塑造成各种不同的大小和形状。目前，应用于软骨修复组织工程的细胞载体材料主要分为以下四种：基于蛋白质的聚合物、基于碳水化合物的聚合物、合成的聚合物、聚合物的复合材料。本文将对细胞载体的研究进展作一综述。

1 软骨损伤修复的治疗现状

目前，对于关节软骨损伤后的修复并没有公认的效果明确的治疗方法。主流的治疗方案主要分为三大类，即保守治疗、手术治疗和经细胞载体种植软骨细胞的治疗。

1.1 保守治疗

其方法主要包括常规的物理治疗、药物治疗、关节内激素和润滑剂注射等。虽然治疗方法对于大多数的软骨损伤患者有一定疗效，能够在一定程度上缓解患者的临床症状，但是在本质上仍然改变不了软骨损伤的情况。

1.2 手术治疗

主要包括微骨折治疗和移植治疗。微骨折即对软骨损伤区域作钻孔处理，使得骨髓腔中的骨髓间充质干细胞能够随着出血而达到损伤区域[1]，当血液在损伤区域凝固后，凝血块中的骨髓间充质干细胞可以分化形成修复组织，促进损伤区域软骨修复。移植治疗即将骨膜、软骨膜、自体软骨组织或异体软骨组织等移植于软骨损伤区域，从而促进局部软骨修复。

1.3 经细胞载体种植软骨细胞

即通过多种方式将事先在体外制备种植有种子细胞的各类细胞载体植入于软骨损伤区域[2-6]。传统的方法主要为事先在体外制备种植有种子细胞的各类细胞载体膜，然后通过手术的方式将其植入到病变部位，在植入的同时常同时可清理剥脱病变软骨，并根据病变部位的具体情况修整细胞载体膜，甚至对于较大的或非包容性的缺损可通过缝线加强固定。而现在较新的方法则可选择注射治疗，即将可生物降解的藻酸钙凝胶作为载体材料与种子细胞复合后注射入需要修复的部位，并且凝胶注射进入缺损之中后可以较好地充填缺损部位。其黏附性能也有利于局部的稳定和组织缺损的修复，并且方便于临床应用，具有较好的应用前景。Dahlin等[7]在一个兔子的软骨损伤修复模型中，将软骨细胞与骨髓间充质干细胞混合培养于细胞载体上后，将其置入兔子的软骨损伤区域，12周后取得良好疗效，且与其他对照组的治疗结果对比后，具有一定的优势。

2 软骨修复重建中细胞载体的性质

在软骨修复重建的组织工程中，细胞载体的主要作用是为种植的细胞提供一个可以维持其随时间变化的三维结构的机械支持环境。因此，所选用的细胞载体必须具有以下的性质：①可生物降解性[8]，即载体可在体内被降解，且降解速度应与新生组织的形成速度相匹配。②生物相容性，即载体对细胞无毒副作用，不会引发炎症或免疫反应。③细胞亲和性，即载体表面理化性质须有利于细胞的黏附和增殖，并能诱导细胞按预制形态生长。④合适的力学性能和形状，即载体材料须具有一定的可塑性和机械强度[9]，能够形成稳定的、有利于细胞生长及接收养份的三维空间。⑤可调节性，可以通过合理的

手段，改变细胞载体的理化性质和生物性质，以适应不同的细胞生长需求，如可以被制作成合适的形状，可以添加吸附不同的生物因子，以调控其中的种子细胞的生长等[10]。

目前所掌握的这些细胞载体材料，在生物相容性、可降解性、细胞亲和性、内部微结构、代谢微环境、机械强度及塑形灵活性等方面各有优缺点，迄今还没有一种生物材料能完全符合组织工程软骨组织构建与应用的要求。一般来说，材料生物相容性、细胞亲和性好，通常力学性能就会相对较差，且材料吸收速度过快[10]。合成的载体材料可批量生产，形态结构可控性强、力学性能稳定，但生物相容性、细胞亲和性差，从而其黏附细胞能力较弱。另外，一些合成材料的降解产物可能引发局部的炎症反应[10]。目前应用最为广泛的合成载体材料是聚乳酸、聚羟基乙酸及其共聚物。但这些材料降解后代谢产物为酸性，会降低局部的pH值，从而影响软骨细胞活性。聚乳酸多聚体植入体内还易引起无菌性炎症反应，甚至诱发癌变。Hendriks等通过比较发现合成材料在促进细胞增殖、分化和成熟方面均不如天然材料[11]。但现在越来越多的研究表明，单一的支架材料无法完全满足软骨修复的要求。因此，根据不同材料的生物学及力学性能，设计出天然材料与合成材料混合制成的细胞载体，是今后的主要研究方向。

3 软骨修复重建中细胞载体的材料

3.1 基于蛋白质的聚合物

目前阶段，用于生物工程细胞载体的蛋白质聚合物的例子有纤维蛋白、明胶、胶原蛋白等。纤维蛋白，是一种由纤维蛋白原转化的蛋白，它是血凝块的一个关键组成部分。明胶，是由变性的胶原蛋白形成，可与生长因子、蛋白质、肽等结合，并且允许细胞粘连。胶原蛋白是生物细胞外基质的主要结构成分，它用做细胞载体材料时，可以保留细胞的各种表型[12,13]。

NeoCart（Histogenics），由Ⅰ型胶原细胞载体与种植的自体软骨细胞组成，它们一同被植入到了21例Ⅲ级软骨缺损患者的股骨中[14]。将这些患者与随机的9例接受关节镜治疗的同一类型患者比较。在2年的随访中，相比接受关节镜手术的患者，细胞载体治疗组的疼痛评分相较术前明显降低（P＜0.05），并且在功能的改进上和活动度的增加上，也较微创手术更好。Ren等[15]最近的研究显示一种由可注射的糖聚肽水凝胶制成的仿生物载体具有良好的机械性能和生物相容性。将兔子的软骨细胞种植于该载体后，通过3周的体外培养，发现其细胞增值速度明显优于其他载体，同时其GAG和Ⅱ型胶原蛋白的产生也明显较多。Hoyer等[16]的研究表明，由海蜇胶原蛋白制成的细胞载体的开孔率可达98.2%，同时其还具有良好的机械性能和细胞低毒性。

3.2 基于碳水化合物的聚合物

诸如透明质酸、藻酸盐、壳聚糖、琼脂糖和聚乙二醇等碳水化合物[17]，也可以以水凝胶的形势，用在组织工程细胞载体中。这些细胞载体是由交叉联合的碳水化合物聚合物，吸收大量的水构成，这种结构与正常人体软骨的细胞外基质的性质相似。他们在细胞的封装中也有效，可以使细胞在细胞载体中保持球形形态[18]。水凝胶细胞载体[19,20]可以通过改变他们的凝胶化的机制的方式，改变细胞载体的性质，以及通过改变合成材料的夹杂物改变细胞载体的性质，并通过添加生长因子增强软骨的形成。

研究发现，使用基于透明质酸的细胞载体hyalograftC移植术治疗的患者，在2年的随访调查中，功能评分有持续性的改进（Anika疗法）。在7年的随访调查中，对62例采用平均大小2.5 cm2的透明质酸的细胞载体hyalograftC治疗的患者进行了包括临床和影像学在内的功能评估和疼痛评估[21]。采用这种治疗的患者，在功能和疼痛上有了显著的改变，术后MRI评估显示62%的患者细胞载体完全融合，57%的患者软骨缺损完全得到填充。但是目前在美国，hyalograftC移植尚未被允许。在一项研究中，海藻酸钠被用于细胞载体，接种在21例成人的同种异体软骨细胞移植[22]。在平均6.3年的随访中，临床评分包括Western Ontario and M cMaster Universities骨关节炎指数和VAS视觉模拟量表评分均明显改善。有4例并发症报告，包括骨膜瓣修复组织松散、分层，临床功能下降以及对修复组织的可视化的MRI显示减薄。尽管存在这些并发症，开发基于碳水化合物的聚合物作为软骨细胞载体材料仍有相当可观的前景。

3.3 合成聚合物

组织工程学中的合成聚合物细胞载体，目前以采用聚乳酸[23]、聚乙醇酸、聚己内酯[24]和聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）[25]最为常见，并且这些材料可以进行编织或制作成为静电纺丝纳米纤维。

一项使用含PLGA、聚乙醇酸和硫酸钙的合成聚合物细胞载体的组织工程治疗软骨损伤的研究中，

将使用上诉细胞载体的组织植入到患者的髌股关节软骨缺损处，患者术后进行为期2年的随访[26]。该研究证明这样的措施可有效改善短期的状况。然而，这种细胞载体植入后的软骨下骨无法修复，甚至会导致透明软骨的形成。

PLGA也已与硫酸钙结合成在商业上通过许可的TruFitPlug（Sm ith&Nephew），一种合成的可吸收植入物，可促进软骨和骨成长。聚乳酸作为软骨修复装置中的细胞载体（Kensey Nash），其中包含β-磷酸三钙刺激骨的生长和I型胶原结构来刺激软骨的生长[27]。这个载体在欧洲于2010年被批准使用，在美国于2012年被批准使用。

最近，Tsai等[28]又提出了一种新的合成聚合物材料，即由阴离子聚氨酯制成的可生物降解的弹性载体。该载体较传统的PLA载体具有更强的变形恢复能力和延展性。将软骨细胞或骨髓间充质干细胞种植其上后，发现其生长明显较传统载体更好、更快。

3.4 其他细胞载体材料

其他细胞支架材料包括聚丁酸、碳纤维、涤纶和聚四氟乙烯等。陶瓷，如羟基磷灰石、磷酸三钙和生物活性玻璃，也被正在开发的支架再植技术列入考虑，由于这些材料促进骨磷灰石层生长，通过软骨细胞载体固定及覆盖骨软骨的缺损。Steel等[29]的研究表明，双分子层膜的细胞载体能模拟软骨的一些关键结构特性，从而有利于软骨细胞的体外培养，且较同类的微载体有明显优势。Kim等[30]的研究则表明，封装有TGF-β因子的PLCL载体可以有效的适用于软骨修复的组织工程中。Cunniffe等[31]的研究则显示了多孔的脱细胞载体材料可用于治疗大块的软骨缺损。

最近的一项研究采用膝关节的软骨或骨软骨使用一个三维细胞载体进行软骨缺陷治疗（MaioRegen，Fin-Ceram ica Faenza SpA），这种骨和软骨细胞载体为Ⅰ型胶原原纤维和纳米羟基磷灰石[32]所治疗的患者软骨缺陷的大小范围可从1.5 cm2到6 cm2。在为期2年的随访中，患者临床评分均有改善，尤其是积极的患者。MRI评估显示有70%的病例有完整的植骨融合。目前，一个进一步使用这种细胞载体治疗骨软骨缺损的大范围的多中心临床试验目前正在欧洲展开[33]。使用细胞载体来治疗软骨损伤和病变的治疗方式正逐渐普及[34]。

4 总结与展望

在软骨修复重建的组织工程中，选择适当的细胞载体还是十分有必要的。根据不同需求研发并改进出不同的细胞载体材料，也是十分有前景的。目前对细胞载体的研究已经取得了一定的成果，研发出了各种满足一定要求的细胞载体材料，并且其中的一些已经成为应用于治疗临床的人体软骨损伤或病变的有效手段，并在临床中在某些方面显现出显著的优势。Ahn等[35]甚至已经研究出使用3D打印技术可以批量机械化生产细胞载体。但目前的细胞载体材料还不能满足全部需求，还存在各种难以避免的缺点，如何使细胞载体材料能够用于治疗更多的软骨损伤或病变患者，并增加其治疗的效果，减少其可能带来的不良反应，将会是今后研究的重点。

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10.3969/j.issn.2095-9958.2015.04-022

上海市科委自然基金课题（项目编号：15ZR1431900）

**通信作者：施忠民，E-mail：18930177323@163.com