陈建常

组织工程修复骨缺损的研究进展

陈建常

组织工程;修复外科手术;骨再生

骨缺损的修复以往多以自体、同种异体或人工骨修复，存在供骨区损伤、来源有限、传染疾病、伦理及骨不愈合等诸多并发症及问题。组织工程作为一门新兴学科得到迅猛发展，组织工程技术的提出和发展使骨再生研究有了新的方向。组织工程骨的出现为骨缺损的修复带来了新的希望，它改变了以往创伤修复的传统模式，能以少量组织细胞修复大块组织缺损，并可按需塑形达到理想形态，为实现创伤修复及完美的生物学重建提供了理论和方法。本文就骨组织工程中种子细胞、生物支架和细胞因子共同构建组织工程骨用以修复创伤性骨缺损的最新进展做一综述，并对能否用组织工程的方法修复火器伤骨缺损进行展望。

1 种子细胞的来源与选择

种子细胞是骨组织工程研究中最基本的环节，也是骨组织工程学研究的热点问题之一，种子细胞应具有取材简便、无瘤变、增殖能力强并能耐受机体免疫等特点。目前在组织工程领域应用较多的主要有骨髓基质干细胞(bone marrow stem cells，BMSCs)及脂肪源性干细胞(adipose derived stem cells，ADSCs)。

1.1 BMSCsBMSCs因为增殖分化能力强，取材简便而成为种子细胞主要来源。BMSCs在骨髓中的含量最为广泛［1-2］，近年来的研究表明，BMSCs具有多向分化潜能，几乎能分化成身体的任何细胞，骨形态发生蛋白(BMP)可以增强BMSCs向成骨细胞分化，并且在地塞米松、维生素C等作用下也可向成骨细胞分化［3］。付志厚和王爱民［4］利用骨髓间充质干细胞修复假体周围骨缺损时证明，BMSCs可向成骨细胞分化并促进假体骨界面骨整合。有研究证实，BMSCs多次传代后无致瘤倾向，显示出良好的应用前景［5］。BMSCs作为种子细胞，其细胞学特点和确切的分化调控机制仍不清楚，目前国内已开始应用生物反应器模拟体内微环境并取得一定效果，但并不能完全模拟生理状态下的各种刺激，仍有待进一步研究。

1.2 hADSCshADSCs作为种子细胞，近些年来也越来越成为人们关注的焦点，其最早由Zuk等［6］在脂肪组织的血管基质片段中分离得到，这些细胞与来源于骨髓的间充质干细胞具有相似的形态、免疫表型以及多向分化的潜能，由于自体脂肪含量丰富，作为种子细胞的来源十分广泛。Lin等［7］通过对其表面抗原表达的研究提出hADSCs可能是血管来源的干细胞，这为组织工程骨修复骨缺损血管化的问题打下了良好的基础。Mesimakif等［8］利用由自体ADSCs、β-磷酸三钙和重组人骨形态发生蛋白-2制定的微血管复合皮瓣成功的对一老年男性患者因巨大角化囊肿行上颌骨半切除术术后缺损进行了修复，并生成了骨化良好的骨组织。目前大部分研究都只停留在动物实验阶段及修复非受力骨骨缺损方面，相对于大块骨缺损及受力骨骨缺损的研究较少。以hADSCs作为种子细胞的组织工程骨的力学特性争议还较多，这些问题还有待解决，但不可否认，以其作为种子细胞研究前景广阔。ADSCs极有可能成为今后种子细胞产业化的同种异体细胞来源。

2 生物支架

生物支架是种子细胞的载体和组织结构的支架，在新骨形成之前为种子细胞提供增殖分化、营养交换、新陈代谢的空间及机械支撑，也是细胞外基质分泌的空间场所。作为骨组织工程的细胞外基质应具备良好的生物组织相容性，对机体无毒害及良好的生物降解性，且具有适合的多孔三维结构、可塑性及一定的机械强度。目前研究发现有很多材料可用做骨组织工程的支架材料，分为天然和人工合成两大类。

2.1 天然材料 天然类生物支架主要以同种异体骨、异种骨为代表，异体骨和异种骨结构和力学性能与骨相似，目前应用广泛，但免疫原性是面临的首要问题，同时有可能传播疾病［9］。目前所研究的天然材料包括甲壳素及其衍生物、胶原、藻酸盐等，它们来源广泛，生物相容性好，降解产物无毒害。有些还具有一定的细胞诱导性及抗肿瘤促愈合的功能［10］，但力学性能较差，机械强度不足，降解速度无法控制，很难单独作为支架材料使用。

2.2 人工合成高分子 人工合成高分子包括一切由各种化学方法制成的人工材料，包括聚乳酸、聚乳醇酸、聚酸酐以及它们之间的共聚物等。这些材料大多具有可降解性，目前乳酸羟基乙酸共聚物(PLGA)已经可以控制力学强度及降解速率，随着研究进一步深入应能逐渐满足组织工程对支架的需要，但仍有亲水性及细胞吸附力弱，降解时局部产生的酸性产物可形成无菌性炎症损害新生组织等缺点。

2.3 复合材料 单一的材料经证实无法满足骨组织工程支架材料的要求，研究人员将几种材料加工组合制成复合材料，以弥补单一材料的不足。Ding［11］研究证明，壳聚糖和磷酸钙复合物可有效提高骨水泥内部孔隙率，有利于血管神经的长入，并在一定程度上提高了抗压强度，可用于骨缺损的修复。为了克服材料之间的界面结合力弱，难以产生相互作用等问题，人们又把眼光投向了纳米复合材料。纳米磷酸三钙/胶原支架、纳米羟基磷灰石、胶原、聚乳酸材料等的出现，使得各种材料的界面结合效果得以增强、增韧，大大提高了材料的综合性能，使之优于普通的复合材料支架。

3 细胞因子

生物体细胞因子能够促进细胞增殖、分化过程，促进血管化进程及成骨细胞黏附增殖，改变细胞产物的合成，是骨再生的关键环节。生长因子可以促进组织器官的修复和再生，对组织工程化人体组织的构建有重要的作用［12］。现已从骨基质、骨器官和骨细胞的培养液中分离出多种骨生长因子，如BMP、血管内皮生长因子(VEGF)、血小板衍生生长因子(PDGF)、胰岛素样生长因子(IGF)、转化生长因子 β(TGF-β)、碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)等。

BMP是被研究的最多的成骨因子，其在骨发生、骨诱导、骨修复以及骨量保持方面发挥关键作用。它还是骨生长的启动因子，可以通过软骨化骨和膜内化骨在正常位置或者异位形成新骨，其中BMP-2、BMP-4和BMP-7被证实具有很强的诱骨生成作用［13］。随着生物技术的逐步提高，诸如基因联合技术、多因子混合技术等，BMP的应用将具有更广阔的前景。在骨修复过程中，血管再生是关系着组织工程骨能否成活的关键因素之一［14］。VEGF能刺激血管内皮细胞的有丝分裂和血管的发生，促进内皮细胞的增殖及血管的生成。PDGF促进血管内皮的增殖，对骨缺损的修复中血管的再生起着至关重要的作用。IGF可促进细胞分裂，在骨骼中，IGF 是含量最丰富的信号分子［15］，Gelse等［16］证实，IGF与其他生长因子协同可刺激骨母细胞增殖、分化并促进骨的生长发育。TGF-β在骨缺损修复过程中有促进软骨和骨修复的作用。它具有在诱导骨再生的同时促进微血管生成，加快新骨形成，也具有使间充质干细胞分化为骨细胞或软骨细胞，并能形成细胞外基质的作用［17］。bFGF能够促进骨细胞增殖及微血管生长分化，增加了骨细胞合成胶原和非胶原蛋白的能力，有利于骨组织生长。其不仅能提高BMSCs的增殖速度，且能在增殖过程中保留多向分化潜能［18］。

在骨组织再生中，各生长因子之间往往协同作用，调节骨的代谢、愈合及改建，但由于骨生长因子的半衰期较短，不易在体内达到理想浓度，因而人们通过缓释、基因转染及活化等技术使生长因子作用时间及效果更加稳定。王立勋等［19］利用带人BMP-2基因的慢病毒转染骨髓间质干细胞构建的组织工程骨对大鼠颅骨缺损进行修复，取得了较好的效果。王建忠等［20］证明，HVEGF121基因转染的复合材料能显著提高火器伤后骨缺损修复的效果，但只限于实验研究的初步阶段。必须认识到任何时候骨细胞的微环境中都不只是出现某一种因子，骨组织代谢是由多种因子同时参与调节。细胞因子对细胞作用的时效关系、量效关系、细胞因子之间的相互作用及反馈调节尚待进一步研究。

4 总结与展望

尽管组织工程修复骨缺损已取得很大的成就，特别是在基础研究方面，展示出极大的发展空间及应用前景，临床虽有少量报道［21］，但仍面临诸多瓶颈，有待于进一步研究解决。关于种子细胞、支架材料、成骨因子的临床研究较少，大多仅限于创伤性骨缺损的基础性研究［22］。有关火器伤骨缺损动物模型的建立文献报道极少，如何建立合适的火器伤骨缺损动物模型是摆在我们面前的首要问题，在此基础上再探讨能否用组织工程的方法修复火器伤骨缺损，并逐步过度到临床应用。目前有关火器伤骨折的一期内固定动物模型已获成功［23-24］，相信组织工程修复火器伤骨缺损的目标实现也不会太遥远。

［参考文献］

［1］Jiang Y，Jahagirdar B N，Reinhardt R L，et al．Pluripotency of mesenchymal stem cells derived from adult marrow［J］．Nature，2002，418(6893):41-49．

［2］Freitas C S，Dalmau S R．Multiple sources of non-embryonic multipotent stem cells:processed lipoaspirates and dermis as promising alternatives to bone-marrow-derived cell therapies［J］．Cell Tissue Res，2006，325(3):403-411．

［3］da Silva Meirelles L，Chagastelles P C，Nardi N B．Mesenchymal stem cells reside in virtually all post-natal organs and tissues［J］．J Cell Sci，2006，119(Pt11):2204-2213．

［4］付志厚，王爱民．骨髓间充质干细胞修复假体周围骨缺损及对假体界面骨整合的影响［J］．中国矫形外科杂志，2008，16(13):1023-1025．

［5］Rubio D，Garcia Castro J，Martin M C，et al．Spontaneous human adult stem cell transformation［J］．Cancer Res，2005，65(8):3035-3039．

［6］Zuk P A，Zhu M，Ashjian P，et al．Human adipose tissue is a source of multipotent stem cells［J］．Mol Biol Cell，2002，13(12):4279-4295．

［7］Lin G，Garcia M，Ning H，et al．Defining stem and progenitor cells within adipose tissue［J］．Stem Cells Dev，2008，17(6):1053-1063．

［8］Mesimaki K，Lindroos B，Tornwall J，et al．Novel maxillary reconstruction with ectopic bone formation by GMP adipose stem cells［J］．Int J Oral Maxillofac Surg，2009，38(3):201-209．

［9］Bishop A T，Pelzer M．Vascularized bone allotransplantation:current state and implications for future reconstructive surgery［J］．Orthop Clin North Am，2007，38(1):109-122．

［10］周红波，朱智敏．甲壳素及其衍生物用于骨缺损修复的研究进展［J］．国际口腔医学杂志，2011，38(1):83-86．

［11］Ding S J．Biodegradation behavior of chitosan/calcium phosphate composites［J］．J Non Cryst Solids，2007，353(24-25):2367-2373．

［12］徐世旭，阳富春．骨形态发生蛋白的成骨作用及其在骨组织工程中的应用［J］．医学综述，2008，14(2):193-194，195．

［13］Ishibe T，Goto T，Kodama T，et al．Bone formation on apatite-coated titanium with incorporated BMP-2/heparin in vivo［J］．Oral Surg，Oral Med，Oral Pathol，Oral Radiol and Endod，2009，108(6):867-875．

［14］Gao J，Yao J Q，Caplan A I．Stem cells for tissue engineering of articular cartilage［J］．Proc Inst Mech Eng，2007，221(5):441-450．

［15］邓江，黄文良，阮世强，等．胰岛素样生长因子-Ⅰ活化组织工程骨修复骨缺损的实验研究［J］．第三军医大学学报，2011，33(2):145-147．

［16］Gelse K，Muhle C，Knaup K，et al．Chondrogenic differentiation of growth factor-stimulated precursor cells in cartilage repair tissue is associated with increased HIF-1alpha activity［J］．Osteoarthritis Cartilage，2008，16(12):1457-1465．

［17］Koli K，Ryynanen M J，Keski Oja J．Latent TGF-beta binding proteins(LTBPs)-1 and-3 coordinate proliferation and osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells［J］．Bone，2008，43(4):679-688．

［18］Clements B A，Hsu C Y，Kucharski C，et al．Nonviral delivery of basic fibroblast growth factor gene to bone marrow stromal cells［J］．Clin Orthop Relat Res，2009，467(12):3129-3137．

［19］王立勋，吕飞舟，马晓生，等．慢病毒介导骨形成蛋白-2基因转染骨髓间质干细胞修复大鼠颅骨骨缺损［J］．中华实验外科杂志，2008，25(6):705-706．

［20］王建忠，李兵仓，陈菁，等．携带hVEGF121-EGFP融合基因的腺病毒表达载体的构建及在NIH3T3细胞中的表达［J］．第三军医大学学报，2006，28(4):315-318．

［21］丁真奇，周亮，练克俭，等．脱蛋白牛松质骨结合自体红骨髓移植修复骨肿瘤性骨缺损［J］．中国临床康复，2006，12(21):172-173．

［22］Fan W，An H，Jiang D M，et al．Construction of tissue engineering bone with deproteinized bone as scaffold in vitro:experiment with rabbis［J］．Natl Med J China，2006，86(47):3349-3352．

［23］陈建常，张春浩，何新建，等．寒冷干燥环境下羊肢体枪伤骨折钢板内固定的实验研究［J］．中华创伤骨科杂志，2009，11(7):659-662．

［24］陈建常，张洋，刘聪，等．低温环境对羊肢体枪伤骨折内固定疗效的影响［J］．中国矫形外科杂志，2009，17(18):1397-1399．

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2095-140X(2012)08-0001-03

10．3969/j．issn．2095-140X．2012．08．001

2012-07-18)

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830000乌鲁木齐，兰州军区乌鲁木齐总医院全军骨科中心