骨组织工程研究现状与展望

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1、骨组织工程研究现状与展望【关键词】骨组织工程组织工程的基本含义是单用或将细胞、细胞因子和生物材料复合以后应用于体内的活组织再生和体外的组织构建。作为医学组织工程的重要组成部分，骨组织工程是针对骨不连骨缺损，特别是大块骨缺损(内径>5mm)的填充和愈合这一临床难题,研究有效的治疗途径。它的研究思路是在体内骨不连或骨缺损处植入载有高效成骨种子细胞的载体系统，提供骨诱导与骨传导的最佳环境，在局部直接成骨并完成骨愈合过程。上世纪60～70年代人们对骨生长因子——骨形态发生蛋白(bonemorphogeneticproteins,BMPs)认识的深入,开辟了骨

2、组织工程研究的新纪元。在骨组织工程研究早期，人们主要把精力放在种子细胞的培育，寻找适合种子细胞生存的载体和设计载体的空间结构上面。近年来的研究证实，影响骨再生成功与否的决定因素之一是移植物的再血管化，组织工程骨的血管再生在其自身存活及与宿主床的愈合中发挥着重要的作用。就组织工程骨而言，快速血管化可以为成骨细胞功能活动提供充足的营养，决定成骨量的多少，同时只有血管化人工骨才能演变成自体骨，从而在体内发挥持久的生理功能。因此，提高组织工程骨的血供，构建微血管化的组织工程骨已成为目前研究的热点。　　1成骨种子细胞的来源与选择1010　　种子细胞是骨组织工程研究中

3、最基本的环节。从细胞分化的角度看，机体的成骨效应主要来源于两类细胞，即确定性的成骨祖细胞(DOPC)和诱导性成骨祖细胞(IOPC)。DOPC是成骨细胞分化的高级阶段，有活性的DOPC成骨活力高而且稳定，是种子细胞培育的金标准。DOPC在体内主要存在于骨膜内和骨髓内，纯化的DOPC获得十分困难，在实际中难以办到。骨组织工程所应用的种子细胞主要来源于诱导性成骨祖细胞(IOPC)。它们主要来源于中胚层组织，如骨髓基质细胞、脂肪细胞、成纤维细胞等。骨髓是机体唯一同时含有DOPC和IOPC的组织，骨髓基质干细胞取材方便，对组织损伤小，成骨细胞活力高，体外状态下容易扩

4、增，便于诱导，是目前骨组织工程研究最多而且最有应用价值的种子细胞来源。目前亦有采用异体骨髓基质细胞进行移植研究的报道。骨髓基质干细胞近期有待于获得FDA认证后正式应用于临床。骨膜内有大量确定性的成骨祖细胞(DOPC)，在体外状态下容易扩增，成骨活力很高，也是很好的种子细胞来源，但是由于需要切开取材，目前仅停留在动物实验方面。有人提出大范围创伤病人在处理创伤的同时进行取材，体外培养，深低温保存，以备将来使用，是一个很好的思路。胚胎干细胞作为种子细胞极易被诱导体诱导向成骨细胞方向分化，成骨潜力极大。有人提出建立骨组织工程种子细胞库的设想，但是由于来源和免疫原性

5、使之在应用方面受到限制。其它干细胞，包括脂肪干细胞、肌源性干细胞等，目前已经从不同的成熟组织中获得了其相应的干细胞，并在体外状态下诱导显示了这些细胞有很高的成骨活性，在临床上潜在的应用价值，由于这些细胞取材、分离和分化的操作程序复杂，以及其免疫原性，而限制了它们的应用。其它成熟细胞虽然在病理状态和在科学实验中发现了它们的成骨分化，但是作为骨组织工程的种子细胞来源将不予考虑。　　2种子细胞的成骨诱导与分化　　通过成骨因子或细胞因子诱导IOPC的成骨分化，仍然是目前获取高效种子细胞的主要手段。BMP2是最有效最方便的成骨诱导因子，此外，尚有BMP3、BMP7诱

6、导分化的报道。目前，FDA已经通过了将重组人BMP应用于临床的决议。为了提高和维持种子细胞的成骨活力，生长因子网络的作用越来越受到重视，双因子，如BMP2与bFGF或三因子的共同刺激骨髓基质细胞已获得了很好的增值与成骨分化。细胞因子仅在体外状态下实施诱导，可以获取高效的种子细胞，由于尚未发现较好的细胞因子缓释载体，如果将细胞因子直接植入体内，将很快被周围血流带走，或被周围细胞处理，难以发挥有效的成骨诱导作用，因而将其单独用在体内诱导的思路不可行。10　　通过基因工程手段将高效成骨因子基因装入真核表达载体后转染成骨细胞，植入体内可以获得高效成骨细胞因子的稳定

7、表达，可以维持其在成骨区浓度，使稳定成骨成为可能。目前常用的真核表达载体有质粒载体，如pcDNA3、逆转录病毒载体，如pDor、及腺病毒、慢病毒表达载体，比较有优势的是后两种载体。人们已将多种目的基因装入载体均获得了较好的表达，但是，这种方法表达细胞因子蛋白的三、四级结构、表达量以及表达时间尚不能控制，影响成骨过程。此外上述载体存在一定的细胞毒性，而未获得医疗监管部门的批准，尚未进入到临床应用阶段。　　3骨组织工程载体的选择与应用　　经典的载体设计理念仍然有指导意义。即骨组织工程载体应具有：(1)一定支持力和结构强度的材料作为核心骨架,降解缓慢,以提供有效

8、的成骨空间和时间;(2)利用天然孔隙或不同工艺段造形成的孔隙,仍以