韧带和肌腱修复的组织工程研究进展

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1、韧带和肌腱修复的组织工程研究进展　韧带和肌腱是平行纤维带，由致密结缔组织构成，对保持关节正常运动和稳定性起重要作用。这些结构损伤可导致明显关节不稳，引起其它组织损伤及发展成退行性关节疾病。在一些病例中，如膝关节前交叉韧带损伤后不能自愈，需替代物移植治疗。修复或重建损伤韧带和肌腱可选择3种生物替代物：自体移植物、同种异体移植物，及异种移植物。自体移植物已经取得了最满意的长期效果［1］，但供体部位常出现疼痛、肌肉萎缩、肌腱炎等，是主要限制性因素［2］。冰冻异体韧带移植物常导致免疫反应，阻碍了组织重建，但存有传播疾病的风险，缺少供体

2、及供体与受体之间的相容性是主要问题。牛移植替代物因为偶然出现反复渗出、移植失败及滑膜炎等未取得FDA认证。另外，各种合成材料已经用于韧带置换，但855种假体韧带随访15年均未取得满意结果［3］。　　组织工程是一项基于发展生物结构来修复、重建或替代生物组织的技术。组织工程应包括修复细胞，结构模板，且易于营养物质和代谢物质运输，及提供分子和机械调节信号。韧带和肌腱修复的组织工程应包括：(1)自体细胞来源；(2)生化及物理因素调节BMSCs分化；(3)生物支架；(4)生物反应系统。　　1细胞来源　　理想的情况是用自体细胞来消除异体细

3、胞带来的问题，如免疫排斥和疾病传播。成人骨髓是骨髓基质干细胞库，骨髓基质干细胞(bonemarroalcells，BMSc)能自我更新并具备向各种间质细胞分化的能力。BMSCs具备几点特殊的性质使它成为各种组织工程的明确选择：(1)能形成纤维母细胞单个集落，可根据其黏附于固体表面的能力将其分开并可扩增得到大量细胞［4，5］；(2)BMSCs数量随着年龄增长而减少［4］，但在新生儿和年长者该细胞的增殖、分化能力无明显差异［6］；(3)可通过设定不同的培养条件诱导BMSCs向不同的间质表型分化，包括成骨的骨母细胞，成软骨的软骨细胞

4、，储存脂肪的脂肪细胞，和成肌腱／韧带细胞［7］；(4)由BMSCs形成的组织工程韧带可作为合适的自体移植物，无需除手术部位以外的外科手术(传统自体移植时需要)，且无免疫反应的危险(异体移植时可出现)。　　2调节因子　　2.1生化因子　　生化因子对诱导和／或支持特殊间质细胞系的表达起着重要作用。氧气可影响细胞外基质的合成率及体外组织工程组织的发育［8］。氧气是否会影响干细胞向韧带纤维母细胞分化还不清楚。Fermor等［9］研究显示高氧浓度(21％)最大程度支持前交叉韧带纤维母细胞分化，而低氧浓度(10％)增强细胞外胶原合成。维生

5、素C磷酸酯作为长效维生素C来源，明显增强体外培养细胞活性并提高I型胶原表达水平［9～11］。生长因子如表皮生长因子(EGF)，碱性纤维母细胞生长因子(bFGF)，胰岛素样生长因子Ⅱ(IGFⅡ)，和转化生长因子β(TGFβ)可增强细胞增殖［12～14］。另外，胰岛素、TGFβ、和IGFⅡ可促进结缔组织蛋白表达及细胞外基质产生［14～16］。TGFβ与EGF，及TGFβ与胰岛素可协同作用刺激纤维母细胞和间质细胞增殖［13，17］。Moreau等［11］利用高级DMEM(ADMEM)培养基体外培养BMSCs，无论是否

6、添加生长因子，与DMEM培养基相比，均可明显提高BMSCsI型胶原表达水平。联合应用EGF和TGF(先后应用)可最大限度提高细胞增殖及I型胶原表达。生长因子对骨髓基质干细胞的影响存在剂量依赖性，HankemEier等［18］研究证明低剂量bFGF(3ng／ml)明显促进骨髓基质干细胞向纤维母细胞方向分化，并明显增加韧带和肌腱特异性细胞外基质和细胞骨架成分的表达，而高剂量bFGF(30ng／ml)则无此作用。　　2.2应力刺激　　影响体内韧带生长发育的机械信号对于体外组织工程韧带的培养同样起着重要作用。施加应力可至少在两方面影响

7、组织发育：(1)加强质量传递；(2)直接刺激细胞。对培养的韧带纤维母细胞施加机械刺激可增强I型和Ⅲ型胶原、纤维结合蛋白及黏蛋白-C的表达［19,20］。在缺少特殊生长因子和调节因子作用下，对人类BMSCs施加生理性周期拉力，BMSCs即可向韧带样细胞分化［21,22］。应力通过直接影响细胞形状和原纤维间隙，或通过液体流动增强来自细胞和从细胞发出的质量传递，可改变自体和组织工程韧带的细胞外环境。　　3生物支架　　支架结构的机械性质和降解率在很大程度上决定了在细胞和组织水平上的机械传递。对承受应力的组织进行组织工程修复，在新生组织

8、具备一定的机械性能前保持支架的机械性能是对支架设计的一个很重要的要求。　　生物材料支架为细胞黏附和组织发育提供了结构模板，且生物降解率要与组织形成保持平衡。研究显示支架对于促进组织有规则地修复必不可少［23］。支架结构决定营养物质、代谢物质和调节分子转入和转出细胞，而支架的机