原位组织工程技术修复骨与软骨损伤的应用进展

张俊涛 岳 辰 倘艳锋 贾宇东 刘又文

1.河南中医药大学洛阳研究生培养工作部，河南洛阳 471002；2.河南省洛阳正骨医院 河南省骨科医院髋部损伤二科，河南洛阳 471002

骨与软骨损伤作为临床常见病，大多由创伤、退变、感染、遗传、肿瘤等因素引起。目前治疗骨与软骨损伤的方法主要是同种自体骨/异体骨移植、骨搬运、骨膜移植等，此类方法存在手术创伤大、治疗周期长、免疫排斥反应、失败率高的特点[1-2]。自1987 年组织工程技术提出以来，有学者开始尝试生物学与工程学相结合的方法来开发受损组织的替代物。但研究发现[3]，在组织工程中应用骨髓间充质干细胞（bone marrow derived mesenchymal stem cells，BMSCs）治疗时，只有2%～12%的细胞可以到达目标区域。为了更好地治疗骨与软骨损伤，学者们提出了一种新的、完全不同的概念—原位组织工程技术，其通过性能良好的支架材料和自身微环境的调节，向损伤部位募集自体干细胞/祖细胞来对骨与软骨损伤进行修复治疗，不再需要传统组织工程技术所需的外源性种子细胞，避免了外源性种子细胞体外长时间繁殖、植入体内可能产生的免疫排斥等缺点[4]。原位组织工程技术经过多年的发展，将工程学、细胞生物学和材料学紧密结合，在治疗骨与软骨损伤方面取得了显著的效果，大大缩短治疗时间、降低治疗失败率，为治疗骨与软骨损伤提供了新的思路和方法[5]。但目前因技术问题、成本问题及临床试验的缺乏等，具体将其应用于临床治疗骨与软骨损伤并观察其长期效果还需大量研究。

1 原位组织工程技术的三要素

1.1 种子细胞

BMSCs 存在于骨髓中，含量在0.01%以下，因其取材方便、最易募集、具有较强的增殖能力和定向分化能力被最早选为种子细胞应用于组织工程[6-7]。当组织受到创伤时，BMSCs 能够进入外周血，自发的从器官或骨髓定向迁移至受伤组织参与血管生成、组织修复过程，这是一种内在的自发性愈合反应[8-10]。

有学者曾研究通过募集内皮细胞至创伤部位，使支架材料血管化，但内皮细胞具有存活力差、黏附性差且易老化的缺点[11]。随后学者们将目光对向了内皮细胞的前体细胞—内皮祖细胞，其主要分布在骨髓中，具有良好的分化能力和增殖能力，很多研究者将其作为种子细胞应用于原位组织工程技术中，在趋化因子的诱导下，募集至创伤部位进行分化增殖，修复创伤组织[12]。

1.2 趋化因子

趋化因子是干细胞动员和归巢的有效因子，诱导种子细胞迁移的同时促进干细胞增殖分化，并通过与细胞表面相应抗体特异性结合促进细胞黏附，通过募集种子细胞归巢修复损伤的骨与软骨，达到原位组织再生的目的[13]。控制趋化因子的递送、延长其效应时间，在损伤部位增加特异性趋化因子的浓度来增强内源性干细胞募集以达到放大原位组织的再生策略是目前研究的一个方向[13]。经研究发现，机体自身具有引导种子细胞向损伤部位聚集并对损伤部位进行修复的作用，但低“归巢”率、低存活率和低分化率严重影响了损伤部位的修复[14]。

基质细胞衍生因子-1（stromal cell-derived factor 1，SDF-1）是目前研究应用最多的趋化因子。研究发现[7]，SDF-1 在BMSCs 的归巢、作用时间以及分化方面都有至关重要的作用。SDF-1 也被称为CXCL12，与其受体CXCR4（C-X-C chemokine receptor 4）可以特异性结合，两者相互作用后不仅对BMSCs 具有明显定向趋化作用，还有效抑制BMSCs 的凋亡，增加其存活率和增殖活性[7,14]。研究发现[15]，BMSCs 的归巢与一定范围内SDF-1 的浓度呈正相关，浓度100 ng/mL 为分界点，当高于这个点时，BMSCs 的迁移量逐渐减少，当低于100 ng/mL 时，随着浓度的增加，迁移量逐渐增加。此外，还有许多具有趋化作用的细胞因子在原位组织工程发挥其作用，如单核细胞趋化蛋白1、血小板衍生生长因子、血管内皮生长因子、胸腺表达趋化因子等[17]。

1.3 支架材料

支架材料是原位组织工程技术的关键部分，其作为细胞的载体在募集种子细胞的同时能够引导细胞的生长和浸润。支架材料良好的生物降解性、无害代谢产物是组织修复成功的重要影响因素[18]。另外，支架材料能够黏附细胞同时将细胞存留在受损部位，防止其随着血液的流动而流失。支架材料的功用大小与其微观结构和孔隙率有着至关重要的关系，支架的微观结构和设计是控制细胞局部迁移的有效工具，同时能够调节细胞浸润及炎症反应，因此对支架材料的关注点多在通过多种技术来调节支架材料的结构和孔隙率，以期能够更好地调节适应细胞和体内微环境[19]。

目前对支架材料的关注点在于：通过相关技术（如纳米技术、低温技术、3D 生物打印技术和基因工程等）将不同的生物材料相结合来制备高性能的复合材料，来克服以往材料的缺陷，以期能够更好适应体内微环境的同时，又能够对损伤部位起到更好的修复作用[20-21]。

2 原位组织工程技术在治疗骨损伤方面的应用

骨缺损一直以来都是临床医生面对的一大困难，目前临床上治疗骨缺损的方法主要有骨移植技术、llizarov 骨搬运技术、Masquelet 诱导膜技术、钛网cage技术、基因治疗和组织工程技术等，这些治疗方法虽在一定方面具有成效，但其治疗存在局限性（如大面积骨缺损）[22]。随着原位组织工程技术的研究不断深入，将其应用于治疗骨损伤取得了良好的效果。运用原位组织工程技术修复骨损伤的关键问题在于寻找一种具有良好的机械性能、最小的炎症和免疫反应、能够募集种子细胞迁移至损伤部位并促进细胞增殖和分化的特异性支架。

目前用于治疗骨损伤的常用种子细胞和趋化因子为BMSCs 和SDF-1，BMSCs、SDF-1 联合支架材料修复骨缺损成为了目前研究的热点[4,23]。研究显示[24]，将支架材料与趋化因子或种子细胞相结合治疗骨缺损具有良好效果。Hibi 等[25]将支架材料联合BMSCs和富血小板血浆成功修复牙槽裂骨缺损。Redondo 等[26]应用BMSCs 联合支架材料修复上颌囊性骨缺损，并取得良好的治疗效果。Niu 等[27]将胶原支架材料与SDF-1 合并植入小鼠体内，6 周后观察骨损伤部位，发现有毛细血管和骨质生成。因此，将支架材料、趋化因子及种子细胞相结合，能对骨损伤起到良好的修复作用。

3 原位工程技术在治疗软骨损伤方面的应用

软骨是特化的致密结缔组织，没有血管和神经，当受到创伤后很难自发修复，当人软骨损伤达到3 mm时，很难自发修复[28]。原位组织工程技术修复软骨的机制是：通过植入可降解多孔支架材料，其能够模拟体内微环境，在趋化因子的引导下，使种子细胞归巢至受损软骨区域并定向分化为软骨细胞来达到修复作用。Chen 等[29]制备一种具有良好机械性能的胶原支架材料，该支架材料本身具有诱导BMSCs 在支架中迁移的能力，将其与SDF-1 结合植入兔软骨缺损模型中，于术后6、12 周取出标本观察软骨修复情况，结果发现：该支架材料能够促进软骨再生和修复。

近年来有学者将支架材料与细胞因子相结合，引导种子细胞归巢至受损软骨进行修复。李祥全等[30]应用微骨折联合自体BMSCs 外基质支架来修复猪膝关节软骨缺损，制备双侧双膝股骨髁、股骨滑车部全层软骨缺损模型，采用自体对照；运用交联、冷冻技术将收集的基质膜制备成三维多孔支架。结果发现：术后6 个月，试验组股骨滑车和股骨髁处均见修复后表面光滑的软骨，对照组股骨滑车修复组织表面较平整，而股骨髁未见明显修复。孟庆阳等[18]采用猪腹膜脱细胞基质（pig peritoneum-derived acellular matrix，PPAM）支架联合微骨折治疗软骨损伤，PPAM 支架具有良好的生物相容性，含有致密层和疏松层等特殊结构，可以有效在黏附细胞的同时将细胞留存于损伤软骨部位来修复软骨组织。结果发现：PPAM 支架对细胞生长和增殖具有良好的支持作用。综上可见，原位组织工程技术治疗损伤的软骨能达到良好的效果，但选取何种支架材料能达到更好的治疗效果，尚缺乏研究。

4 展望

骨与软骨损伤在作为临床常见病，如何有效治疗骨与软骨损伤成为了学者们一直探索的问题。目前对其治疗方法也是多种多样，但存在治疗时限长、失败率高、费用较大的缺点。原位组织工程技术的提出在很大程度上解决了传统治疗手段存在的不足，其通过支架材料的理化性质模拟体内微环境，结合趋化因子募集大量的种子细胞归巢，对受损部位进行有效、及时的修复。有大量研究显示，原位组织工程技术在治疗骨与软骨损伤方面具有良好的效果，这为以后将其应用于临床提供了理论依据。但原位组织工程技术目前也存在相关缺陷，临床应用研究尚不深入，还需要进行更多的临床相关性的实验，原位组织工程技术的相关机制还尚需进一步证实。相信在不断的坚持和努力下，该项技术能更好的应用于临床，使更多患者受益。