组织工程技术修复关节软骨缺损的研究进展

刘剑伟　蒋卫平

【摘要】 关节软骨缺损的再生修复是现代骨科临床面临的巨大挑战之一。由于软骨组织的无血管性质，其再生或修复能力有限，因此需要适当的材料系统，在物理、机械、组织学和生物学方面重新调整天然软骨组织的功能，促进软骨再生。目前包括基因治疗在内的组织工程技术正在成为软骨治疗的关键方法之一，并且为许多软骨创伤和疾病的治疗带来了新的曙光和更好的结果。本文综述和总结了组织工程技术在治疗关节软骨缺损方面的研究进展。

【关键词】 组织工程 修复 关节软骨缺损

[Abstract] The regeneration and repair of articular cartilage defects is one of the great challenges faced by clinicians. Due to the vaseless nature of cartilage tissue， its ability to regenerate or repair is limited， and appropriate material systems are needed to facilitate cartilage regeneration by physically， mechanically， histologically， and biologically readjusting the function of natural cartilage tissue. At present， tissue engineering techniques including gene therapy are becoming one of the key methods of cartilage therapy and bringing new light and better results to the treatment of many cartilage injuries and diseases. This paper reviews the progress of tissue engineering in the treatment of articular cartilage defects.

[Key words] Tissue engineering Repair Articular cartilage defect

First-authors address： Nanning Second Peoples Hospital， Nanning 530031， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2020.17.041

关节炎及外伤所致的软骨缺损常常导致关节疼痛，由于软骨组织本身的无血管特性，软骨缺损后常常难以自身修复，因此软骨缺损目前已成为临床治疗的难题之一[1]。既往研究发现虽然软骨移植术能促进关节软骨修复但是仍然面临许多需要解决的问题。例如：自体软骨移植术后创面再生修复的软骨组织生物力学强度较低并且易于发生退变[2]，而同种异体软骨移植则面临着异体软骨组织的强烈免疫源性排斥以及移植物易于吸收、塌陷[3]。因此至今难以找到一种完美的生物组织材料能达到天然软骨水平。随着组织工程、生物材料技术日新月异的进步发展，为临床治疗软骨缺损相关疾病指明了新方向。在这篇综述中，笔者概述了组织工程技术在骨软骨再生治疗过程中的背景和意义及其面临的挑战。

1 软骨疾病及治疗

常见软骨相关疾病包括骨关节炎、软骨发育不全、肋软骨炎等。其中骨关节炎是一种最常见的软骨相关疾病，骨关节炎好发于人体髋膝关节，尤其以老年人常见，是导致关节疼痛活动受限的常见疾病[4-5]。

对软骨相关疾病的治疗方法必须考虑：发病部位、关节受损的范围、病程的长短以及患者的年龄、身体状况[6]。目前的治疗方法包括：口服药物对症治疗、局部穿刺注射药物、微创手术固定、修复技术及组织工程再生技术等。组织工程技术修复缺损需要填充外来材料，实际上，这相当于重建组织的连续性[7]。组织工程修复关节软骨损伤这项技术的问世，为丢失的组织提供了替代品，已经打破了“关节软骨一旦损伤，不可恢复”这一传统观念，为关节软骨缺损的治疗提供了令人兴奋的前景。

2 细胞支架

细胞支架作为组织工程关键要素之一应具有较低的细胞毒性、适宜的生物降解率和良好的生物力学强度以及适宜的孔隙率和孔径结构等[8]。细胞支架根据其来源可分为天然和合成材料。

2.1 天然生物材料 研究发现天然生物材料拥有免疫原性低、生物相容性好等优势，具有较好的生物可降解性。壳聚糖、胶原水凝胶、β-磷酸钙为组织工程修复技术常用的天然生物材[9]。大量研究发现壳聚糖水凝胶常用于软骨组织工程促进软骨组织再生修复并且能加快GAG的生成[10]。Hao等[11]研究发现：用壳聚糖水凝胶移植修复体内软骨缺损取得了良好的效果，经过随访观察软骨创面可见透明软骨填充。除此之外胶原、透明质酸和纤维蛋白也常常被临床医生用于软骨修复重建[12]。实验证实，胶原支架能够被软骨细胞识别，促进软骨细胞增殖[13-14]。将间充质干细胞与Ⅱ型胶原支架混合培养后移植修复软骨缺损，在缺损修复区有类软骨细胞和细胞外基质形成，局部无炎症反应[15]。通常天然生物材料较弱的力学性能限制了其在临床上应用于骨关节软骨组织再生修复，因此可通过与其他生物材料结合使用来提高天然生物材料的力学强度。胶原蛋白的力学机械性能弱于天然软骨，然而通过添加β-磷酸钙来创建复合材料，其力学机械性能得到了明显的改善[16]。

2.2 合成生物材料 人工合成生物材料包括聚乙二醇（PEG）、聚乳酸（PLA）、聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）、聚乙烯醇（PVA）、聚己内酯。人工合成生物材料通过材料聚合度的调控，改变其力学性能、内在结构等，从而能够满足骨软骨修复的具体需求。研究表明聚乙二醇与软骨细胞混合植入软骨缺损部位，能够支持细胞黏附、存活、增殖和ECM产生[17]。聚乳酸-羟基乙酸支架与MSCs共同植入兔膝關节内缺损模型后生成了类似透明软骨组织[18]。单相高分子支架可促进软骨细胞的生长，然而其存在降解速率较慢，缺乏适宜的生物力学强度等问题，为解决这一弊端，有学者通过采用复合生物材料的策略，依据其性能互补的特点来赋予新型复合支架所需更理想的修复特性。Yao等[19]合成聚乙烯醇、β-磷酸钙双相支架。改善了支架的力学性能，能够促进软骨细胞黏附、增殖，诱导滑膜间充质干细胞向成骨细胞的分化，具有良好的骨软骨修复潜能。由琼脂糖水凝胶/复合聚乳酸-羟基乙酸/生物活性玻璃材料复合组成的支架优化了支架的功能，提高了骨软骨修复能力[20]。

3 种子细胞

间充质干细胞来源广泛，其在病变部位会产生瘢痕和凋亡的抑制因子，促进血管生成，刺激宿主祖细胞分裂为功能再生组织[21]。

研究发现间充质干细胞缺乏人的白细胞抗原因此具有出色的抗炎和免疫调节能力，能够促进创面愈合和组织再生[22]。间充质干细胞能够阻止许多炎症性免疫细胞的增殖和功能，例如其能够抑制树突状细胞、自然杀伤细胞的增殖，抑制细胞因子产生细胞毒性，诱导巨噬细胞从促炎M1分化为抗炎表型M2[23]。特别是间充质干细胞恢复了辅助性T细胞和巨噬细胞类型的平衡：它们间接促进Th1到Th2细胞的转变，加速软骨和肌肉组织的再生。

除了骨髓来源外，干细胞还广泛存在于脂肪、脐血、胎盘、羊水中，不同来源的干细胞其分化潜能各不相同[24]。脂肪干细胞其来源广泛，易于提取，除具有骨骼、肌腱、脂肪分化潜能之外，已经被证明具有分化成软骨细胞的能力。文献[25]研究显示，与骨髓间充质干细胞相比，脂肪干细胞成软骨分化潜力较差，然而脂肪干细胞联合转化生长因子-β和骨形成蛋白使用则可以大大提高其成软骨分化能力。

研究发现，在不同的诱导机制作用下可将间充质干细胞定向分化形成肌肉、骨、软骨组织[26]。随着种子细胞定向分化的研究和进步，将极大提高软骨相关疾病患者的生活质量。

4 生长因子

现已证明某些生长因子除了能够诱导干细胞定向分化外，同时能够影响工程软骨的物理特性，预防关节退行性改变的发生发展。例如骨形态发生蛋白-2（BMP-2）、胰岛素样生长因子-1（IGF-1）、转化生长因子-β（TGF-β）[26]。通过添加生长因子，如TGF-β、成纤维细胞生长因子2（FGF-2）和血小板衍生生长因子BB（PDGF-BB）等，软骨细胞增殖明显增多[27]。生长因子IGF-I和FGF-2联合治疗能够增强软骨生成活性，促进全厚层软骨的形成[28]。体内软骨细胞生存的微环境中不仅仅只存在单一的某种生长因子，其内成分必定复杂多样，近些年的研究发现生长因子之间能产生协同刺激作用，有利于加速细胞外基质的产生，支持软骨发育，增强软骨损伤愈合能力。研究表明，FGF-2和Wnt3a因子协同作用能够促进MSCs增殖并增强其软骨分化潜能[29]。过表达TGF-b3/BMP-6因子可明显促进脂肪干细胞软骨相关基因Sox-9、ACAN和Col2A1的表达，抑制软骨肥大化，促进形成类似于关节软骨的带状结构新骨骼[30]。目前研究者们正趋向于把关注点集中到生长因子协同作用促进软骨细胞的增殖效应及其作用机制进行深层次的阐明。

5 基因治疗

通过基因治疗进行软骨缺损修复的概念源于一种观点，即特异功能基因在损伤部位的表达可以促进软骨的再生过程。近期，基因治疗在软骨再生方面取得了明显的突破进展。研究发现，干细胞在体外进行基因修饰后直接植入关节缺损创面能成功修复软骨缺损，其是通过上调软骨分化促进基因，以及通过下调抑制基因来实现的[31]。基因治疗是通过将特异基因转染靶细胞并上调其表达量以此提高细胞外基质合成加快靶细胞向目的细胞分化而促进组织再生[32]。Madry等[33]将目的基因IL-1RA转染进入大鼠和狗等动物的软骨缺损创面发现基因转染后能够抑制动物关节软骨退变。

基因修复关节软骨缺损过程中常常需要解决的一个问题是，如何避免关节液对注射转染细胞的冲释。研究人员以不同的细胞支架作为修饰后细胞载体，共同注射进入关节腔，当支架降解时，细胞包被的载体将会吸附在缺损部位从而解决了这一难题。基因治疗和支架材料的结合能够大大提高转染基因的效率，促进软骨再生修复。最近的研究表明，适当的传递载体，基因，靶细胞和支架的结合能够有效促进透明软骨生长[34]。然而，尽管基因治疗用于缓解骨关节相关疾病已经得到了广泛的理论验证，但目前仍然有一些问题是必须解决的，例如基因治疗过程中靶细胞的凋亡、疾病的传播等，此外基因的提取和转染在临床上的成熟运用仍需进一步的研究。

6 人工关节软骨移植

1994瑞典Peterson科研团队首次将自体软骨细胞植入术用于临床，修复膝关节软骨缺损。该方法是从膝关节负荷较小的区域取材软骨活组织。分离软骨细胞进行单层培养，并在2～3周后收集细胞悬浮液并将其注射到软骨缺损区域。大量的研究发现自体软骨细胞移植后关节缺损创面可见透明软骨修复，术后患者疼痛得到极大的缓解[35]。目前自体软骨细胞移植术已得到进一步发展，成为一种成熟的细胞疗法并得到广泛应用，为广大的软骨缺损患者带来了福音。然而，经过长期临床实践后发现该疗法仍然存在一些缺陷，例如供体细胞来源不足、供体局部损伤、软骨细胞肥大退变以及老年患者疗效低等。

为了解决这一系列问题，有学者通过合成材料仿造天然软骨，设计了具有类似关节软骨的三维组织结构。Levingstone及其研究团队通过组织工程方法成功制备三维软骨支架，支架表面采用Ⅱ型胶原和透明质酸制备;中间层由羟基磷灰石组成;而软骨下骨层包含Ⅰ型胶原和羟基磷灰石混合物[36]。该人工关节软骨具有较好的孔隙率，其性质与天然软组织相似具有良好的软骨修复效果。

7 展望

组织工程技术在修复关节软骨缺损方面具有巨大潜能，因此近年来受到广泛关注。虽然其在修复关节软骨缺损方面进步巨大，但在實践应用过程中仍有一些问题需要解决。目前仍然需要开发一种新的生物材料，其应具有良好的生物活性并且能够增强材料与细胞之间的相互作用。此外仍需特别关注移植细胞的存活以及与宿主组织的整合问题。幸运的是：充质干细胞、刺激因子和细胞支架的联合精确使用可能为解决这些挑战提供了新的途径。最后，最严峻的挑战是如何将成功的动物实验研究成果服务于临床。如今，有各种各样的软骨组织工程产品，但只有少数能够用于临床试验，其可能原因包括产品的质量控制、稳定性、成本、安全性和专利问题。

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（收稿日期：2019-11-25） （本文編辑：张爽）