梁亮 闫飞
[摘要]软骨危害、退变是骨科的常见疾病,常导致关节的痛苦、功用障碍,乃至构成残疾。软骨残缺的修正、再生成为了医学界的难题之一,而安排工程的快速开展为这个问题供给了新的处理思路和计划。水凝胶支架因为其结构与天然细胞外基质附近,利于种子细胞存活,植入创伤小,可以填充任何形状残缺并与宿主软骨紧密结合等长处被广泛运用于安排工程软骨的研讨中。本文现就不同资料所构建的水凝胶支架在安排工程软骨中的运用开展作一总述。
[关键词]水凝胶;软骨;安排工程
[中图分类号] R681 [文献标识码] A [文章编号] 1674-4721(2018)4(b)-0025-04
Application of hydrogel scaffolds in tissue engineering cartilage
LIANG Liang1 YAN Fei2▲
1.Guizhou Medical University,Guizhou Province,Guiyang 550000,China;2.Department of Orthopedics,the Third Affiliated Hospital of Guizhou Medical University,Guizhou Province,Duyun 558000, China
[Abstract]Cartilage injury and degeneration are common diseases which often lead to joint pain,dysfunction,and even disability.The repair and regeneration of cartilage defects has become a significant challenge,the rapid development of tissue engineering provides a new scheme for this problem.Hydrogel scaffolds are widely used in tissue engineering cartilage because of their similar structure with natural extracellular matrix,favorable for survival of seed cells,small trauma to implant,filling of any shape defect and closely connection with the host cartilage.This article reviews the progress of the application of hydrogel scaffolds constructed by different materials in tissue engineering cartilage.
[Key words]Hydrogel;Cartilage;Tissue engineering
軟骨危害、退变是骨科的常见疾病,常导致关节痛苦、功用障碍乃至构成残疾[1]。因为软骨安排没有血管、神经及淋巴安排,在危害、退变后难以自我修正,软骨残缺的修正、再生成为了医学界的亟需处理的难题之一。而近年来安排工程的快速开展为这个问题供给了新的处理思路和计划[2]。
安排工程是再生医学的一个重要范畴,自20世纪80年代至今已经过30年的研讨、开展。其为由各种先天性变形、缓慢退变和创伤所危害的安排和器官的修正供给了新的期望[3]。安排工程由种子细胞、支架资料、成长因子三个要素构成。因为软骨残缺在临床环境中通常是不规则的,所以可以填充任何形状残缺并与宿主软骨紧密结合的可塑性支架成为了安排工程软骨支架的研讨热门[4]。
水凝胶是一类具有三维网络结构的聚合物,在水中可以吸收很多水分而溶胀,并在溶胀之后可以持续坚持其原有结构而不被溶解。因其三维网络结构与天然细胞外基质附近;富含水分,利于种子细胞的存活,可在液态时微创打针至体内再构成半固态的胶体然后削减植入创伤等共同优势,已作为一类广泛运用于骨、软骨等各类安排工程的研讨中的支架[5]。本文将对不同资料所构建的水凝胶支架在安排工程软骨的运用开展进行介绍。
1天然来历资料
1.1通明质酸(HA)
HA是软骨细胞外基质(ECM)的主要成分,以其特有的分子结构和理化性质在机体内发挥多种重要的生理功用,如光滑关节,调理血管壁的通透性,调理蛋白质、水电解质分散及工作,促进创伤愈合等[6]。临床也常用关节腔打针通明质酸以医治前期骨关节炎。其是由单位D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺组成的高档多糖,之间由β-1,3-配糖键相连,双糖单位之间由β-1,4-配糖键相连。Zhu等[7]经过肼润饰的适应性弹性蛋白样蛋白(ELP-HYD)和醛润饰的通明质酸(HA-ALD)之间的反响经过动态腙键发作适应性弹性蛋白样蛋白质通明质酸(ELP-HA)水凝胶。将软骨细胞封装在具有不同HA浓度的ELP-HA水凝胶中,发现添加HA浓度导致软骨符号基因表达的剂量依赖性添加和人硫酸盐粘多糖(sGAG)堆积增强,一起最小化不期望的纤维软骨表型。可作为3D支架广泛运用于安排修正。Ha等[8]在6个小型猪每个膝关节的滑车中制作了全厚度的软骨危害。3周后将人类脐带血源性间充质干细胞(hUCB-MSC)和4%HA水凝胶复合物的混合物移植到右膝上的残缺处。在左膝上以相同办法发作的骨软骨残缺未经医治作为对照。术后12周处死猪,经过大体和安排学剖析评价随后软骨再生的程度。与对照膝比较,移植组的膝关节存在更杰出的通明软骨再生。
1.2壳聚糖
壳聚糖(chitosan)是由自然界广泛存在的几丁质经过脱乙酰效果得到,化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-β-D葡萄糖,自然界中来历广泛,其结构与ECM中的糖胺聚糖类似。因为其优异的生物相容性和生物降解性,成为安排工程中有吸引力的生物资料[9]。Martins等[10]经过关节镜在6只马的膝关节外表发作骨软骨残缺,残缺填充了壳聚糖-甘油磷酸(GP)水凝胶。搜集处理被去除的软骨碎片作为对照,从安排学、免疫安排化学和蛋白聚糖的代谢符号进行剖析。180 d后搜集壳聚糖-甘油磷酸水凝胶修正的安排进行剖析,未检测到巨噬细胞和多形核细胞,提示无显着炎症。修正安排答应细胞成长,这些细胞可以组成类似于在正常软骨中的Ⅱ型胶原和PG,提示其软骨细胞性质。Choi等[11]经过将Ⅱ型胶原蛋白与可打针蓝光诱导型壳聚糖(MeGC)水凝胶共价共轭,成功地调理了在血清和细胞杂乱生物环境中转化成长因子-β1(TGF-β1)的投递。该水凝胶体系经过在体外封装脂肪来历的干细胞来支撑软骨细胞外基质的凝聚和堆积,提示这些TGF-β1功用化水凝胶体系在杂乱的愈合环境中促进软骨再生的才能。
1.3丝素蛋白
丝素蛋白是从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白,含量占蚕丝的70%~80%,富含甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸等多种氨基酸。因其具有杰出的机械功用和理化性质,如杰出的柔韧性和强度、透气透湿性、缓释性等,经过不同加工办法可加工成纤维、溶液、粉、膜以及凝胶等,并具极佳的生物相容性,被认为是安排工程支架抱负的天然生物资料[12]。Yodmuang等[13]运用由丝微纤维和丝素水凝胶制成的丝纤维复合水凝胶支架,模仿天然软骨的胶原纤维和蛋白多糖复合结构,制作了具有天然软骨安排平衡模量的软骨构建体。在该复合水凝胶支架上培育软骨细胞,观察到优秀的软骨细胞反响,培育42 d后与空白的丝状水凝胶比较,具有更好的机械稳定性。提示丝素蛋白作为用于软骨安排修正的复合支架资料的功用性。Mirahmadi等[14]加入了堵截的丝素纤维和电纺丝素纤维到热敏壳聚糖/甘油磷酸酯水凝胶,经过流变仪和小瓶倾斜法剖析水凝胶的凝胶化温度和凝胶化时刻。经过单轴紧缩、压痕和动态力学剖析测定法丈量机械表征,然后从新西兰白兔的膝关节获取软骨细胞,在构建体中培育,评价了细胞的增殖、生机及糖胺聚糖(GAG)和Ⅱ型胶原蛋白(ColⅡ)的发作。效果提示,当水凝胶与两层电纺丝素纤维混合时,其机械功用明显增强。细胞种子支架中GAG和胶原Ⅱ型的效果提示支撑软骨细胞的成长。
1.4胶原蛋白
胶原蛋白是哺乳动物体内含量最多、散布最广的功用性蛋白,是ECM的重要组成成分,其结构为由三条多肽链构成的三股螺旋结构,或称胶原域。因其具有杰出的生物降解性,生物相容性好,且具有较低的免疫原性,胶原蛋白海绵、胶原蛋白凝胶均在软骨安排工程研讨中得到广泛运用,并被认为是安排工程的规范支架资料[15]。Smeriglio等[16]从全膝关节置换术患者获得的骨关节炎(OA)软骨安排中别离得到正常软骨细胞和OA软骨细胞。观察到可溶性ColⅥ影响软骨细胞增殖,而且正常及OA软骨细胞以类似的办法对可溶性ColⅥ作出反响。但是,增殖效应仅由可溶性ColⅥ引起,因为在将软骨细胞露出于固定化的Col Ⅵ时未观察到增殖。ColⅥ扩增的软骨细胞在3D仿生水凝胶构建体中显现与工程软骨中未处理的软骨细胞类似的潜力。Uto等[17]将移植和宿主基因布景最接近(同源75%)或相同(100%)的小鼠多能干细胞(iPS)嵌入胶原蛋白水凝胶,植入膝关节残缺模型中。在移植8周时,虽然与宿主布景同源性为75%的iPS细胞趋向于构成畸胎瘤,但同源性为100%的iPS细胞表现为联合再生,GFP免疫组化证明移植的iPS细胞担任骨和软骨的修正。
1.5藻酸盐
藻酸盐是一种来历于褐藻细胞壁的亲水性线性多糖,遇二价阳离子即可发作偶联反响快速构成水凝胶。其来历广泛,成胶反响温文,并具有相对较好的机械功用及杰出的生物相容性,且能供给有利于细胞成长、有利于细胞间大分子物质分散及细胞间信号传到的3D微环境,故成为了安排工程中广泛用于封装种子细胞的支架资料[18]。Xu等[19]开发了非触摸共培育形式的组合,将人或兔MSC和兔关节软骨细胞(rAC)封装在3D藻酸盐水凝胶珠中或在单层(2D)中培育,随后在Transwell体系中共培育。这以后对软骨细胞外基质的细胞形状、成长、堆积和rAC的基因表达进行研讨,提示了MSC与rAC之间清晰的旁排泄效果,证明MSC可以下调软骨细胞分解及在软骨修正中的效果。
1.6富血小板血浆(PRP)
PRP,是全血经离心后得到的血小板浓缩物,生物相容性好,如选用自体全血则无免疫原性、无炎症反响等负面影响。其含有很多蛋白质,并含有很多成长因子,如血小板源成长因子(PDGF)、转化成长因子(TGF)、血小板源表皮成长因子(PDEGF)、血小板源血管成长因子(PDAF)、胰岛素成长因子-1(IGF-1)、血管内皮成长因子(VEGF)等[20]。因上述长处以及易于获取的特色,在安排工程研讨中得到遍及运用。Lee等[21]将原代别离的大鼠软骨细胞在PRP/水凝胶复合资料中培育后,植入大鼠剑突软骨中心圆柱型软骨残缺,术后第7天处死大鼠,并进行安排化学和免疫组化评价。提示剑突软骨细胞在复合水凝胶中增殖杰出。在含PRP的水凝胶中,残缺处显现前期于梭形细胞周围构成很多软骨基质,这些效果与蛋白聚糖的Safranin-O染色和Ⅱ型胶原蛋白的免疫组化相一致。体外基因表达剖析显现PRP/水凝胶植入物经过明显添加CB1并上调ChM-1抗炎,为通明性软骨再生供给了适宜的环境。
2人工组成资料
2.1低聚乙二醇富马酸酯(OPF)
OPF水凝胶是由聚乙二醇和延胡索酸酯与聚乙二醇二丙烯酸酯经过化学交联所得,比较其他水凝胶具有更高的含水量,乃至相较一些天然来历资料如明胶、通明质酸等具有更好的安排相容性和生物可降解性[22],是一种经过深入研讨的支架。Hui等[22]在12只8月龄的小型猪树立24处软骨残缺,试验组(n=12)植入再水合的冻干OPF水凝胶支架,对照组无植入物。术后2个月和4个月进行安排学查看,试验组支架本身在2个月和4个月时对新安排填充的份额别离添加了58%和54%,而且通明质酸在4个月时占新安排的39%。提示再水合冻干OPF水凝胶支架在猪软骨残缺模型中增强了通明-纤维软骨混合修正安排的构成。Girolamo等[23]在7只成年小型猪右侧膝关节滑车周边部分树立4处缺損(n=28),在试验组选用栽培了自体或人脂肪干细胞(ASCs)的OPF水凝胶复合物填充,对照组独自用OPF水凝胶填充。6个月后在试验组中观察到具有更好的生物力学性质和较高的Ⅱ型胶原蛋白表达的软骨安排。
2.2聚乙烯醇(PVA)
PVA是一种极安全的高分子有机物,具有杰出的生物相容性。PVA水凝胶在眼科、创伤敷料和人工关节方面均有广泛运用。因其具有与关节软骨、半月板适当的粘弹性状,被认为是软骨安排工程中具有吸引力的资料[24]。但比较其他水凝胶,其蛋白吸附量较低,不利于细胞附着。Blum等[25]运用两种不同的凝胶加工技能来制备水凝胶。榜首种办法将鸿沟光滑剂官能化聚乙烯醇,然后将聚合物经过物理交联反响构成水凝胶。第二种办法是构成非官能化聚乙烯醇水凝胶,然后在凝胶上进行官能化反响。搜集软骨样品,以比较鸿沟光滑剂官能化水凝胶与非官能化水凝胶和天然软骨的机械和冲突学功用。冲突试验提示官能化水凝胶的冲突系数较纯PVA下降了70%。压痕研讨了水凝胶的弹性模量,提示水凝胶的稳定性受加工办法的影响,显现鸿沟光滑剂官能化PVA水凝胶作为仿生组成关节软骨代替物的潜力。
人工组成资料品种繁复,其他如降龙脑烯、聚乳酸(PLA)、聚L-丙交酯-己内酯(PLCL)等相对运用较少,文中不再赘述。
3问题与展望
软骨危害是骨科常见的疾病,现在常用的药物、手术等医治手法都难以促进软骨的再生修正,因而经过安排工程技能修正软骨危害成为了研讨的热门。其间,安排工程软骨支架,尤其是可以依据残缺形状塑形的水凝胶支架的制备成为了研讨的要点。跟着资料学不断开展,用于构建安排工程软骨支架的资料品种繁复,单一的资料因为本身理化特性的限制难以独自进行构建,故现在的研讨多选用多种资料构建的复合支架以扬长避短,经过多年的研讨与运用,安排工程软骨水凝胶支架在体内及体外试验均已获得可观的效果,但仍存在着种种难题需求进一步研讨以期得到处理,怎么进步和坚持支架资料力学功用及外表活性,尤其是在体内动态的力学环境内;怎么操控支架的降解速度与软骨修正速度的平衡,以及支架在体内降解产品对机体的影响;怎么使再生的软骨安排与基底骨安排到达正常的过渡以及与周围原有软骨安排的长合;怎么下降同種异体安排来历乃至异种安排来历的资料的免疫原性、炎症反响以及怎么有效地灭菌以下降感染、感染性疾病传达的危险。
虽然面对诸多困难,但经过探究新型资料的运用以及进一步研讨现有资料经过不同复合办法、复合份额及不同的交联办法,而且经过3D打印等制备技能的运用,仍有望得到更为契合人体软骨天然结构及功用的水凝胶支架,完成安排工程软骨的临床运用,为软骨危害患者带去期望。
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(收稿日期:2017-10-20 本文編辑:闫 佩)