骨组织工程中种子细胞探究进展
骨组织工程中种子细胞探究进展 【关键词】骨组织工程;种子细胞 文章编号:1004-7484 (2013) -02-1011-02 因肿瘤、感染、外伤、先天疾病等原因导致的骨缺损是 临床常见疾病。如何修复骨缺损使功能与美观更好地结合, 是人们不断研究改进的目标。以往临床上常用的方法包括: 人工骨移植、自体骨移植、同种异体骨移植、牵张成骨等, 然而,人工骨移植存在着生物相容性的问题;自体骨移植存 在着来源有限,且需牺牲健康组织的缺点;同种异体骨移植 存在着供体来源不足,免疫排斥等问题;牵张成骨又存在着 疗程长,可能损伤神经、关节,在恢复咬合关系方面难以控 制等不足。 组织工程学的迅速发展,为骨组织缺损的重建和修复开 辟了新的路径,为再生医学领域带来了新的生机。经过二十 余年的不断研究,骨组织工程取得了一定的进展。种子细胞、 生物支架材料和生长因子是组织工程的三大要素。本文将就 种子细胞及其在骨组织工程中的研究进展作一综述。 1种子细胞 种子细胞是指利用组织工程技术再造组织或器官所用 各类细胞的总称。就骨组织工程来讲,种子细胞需满足以下 要求:①便于取材,尽可能降低对机体的损伤;②细胞增殖 能力强;③易分化为成骨细胞;④低免疫源性,无排斥反应; ⑤回植体内,对机体无毒性作用和致瘤性。 1.1成体干细胞 成体干细胞是指存在于分化组织中的 未分化的细胞,具有自我复制功能,主要来源于骨髓、血液、 骨骼肌、角膜、牙髓、肝脏、皮肤、消化道上皮等[1]。目 前以骨髓间充质细胞(BMSCs)研究最多。 1. 1. 1骨髓间充质细胞骨髓间充质细胞(BMSCs)具有 很强的增殖能力和多向分化潜能。在一定的诱导条件下,可 以分化为成骨细胞[2-3]、软骨细胞[4]、脂肪细胞[5]、肌 细胞[6]、神经细胞[7]等。目前,地塞米松、维生素C及 甘油磷酸钠联合应用促进BMSCs向成骨细胞分化是最为常用 的方法。地塞米松可使BMSCs的碱性磷酸酶(ALP)活性增 强,刺激细胞外胶原基质的生物合成,促进干细胞向成骨细 胞分化[8]。研究认为培养基中地塞米松浓度一般以 10-8-10-10mol/L为宜,浓度过高可导致干细胞向脂肪细胞 分化。维生素的作用在于可调节ALP的活性,且能够促进体 外培养细胞(成骨细胞)合成胶原,形成钙化。在培养液中, 8-甘油磷酸钠可迅速被碱性磷酸酶水解,产生大量钙盐形 成及沉积所需的磷酸离子,促进结节钙化[9]。另外,成骨 诱导分化过程中需要多种细胞外信号一一生长因子共同参 与调节。目前已应用于骨组织工程的主要有:骨形成蛋白 (BMP),(包括BMP-2、BMP-7等),类胰岛素生长因子I和 II (IGF I and II),碱性成纤维细胞生长因子(bFGF),转 化生长因子B (TGF-B),血小板衍生生长因子(PDGF)及 血管内皮细胞生长因子(VEGF)等。骨形态发生蛋白(BMP), 其成骨作用已被大量研究证实,是目前已知的唯一能使间充 质干细胞(MSC)向骨或软骨细胞分化的最有效的促骨生成 因子[10]。以BMSCs作为种子细胞的骨组织功能技术已在颅 骨和牙槽骨缺损的治疗中取得了较满意的效果[11-12] o袁 捷等[13]通过自体BMSCs复合珊瑚羟基磷灰石构建组织工程 化骨,成功地修复了犬下颌骨缺损。虽然BMSCs在骨组织工 程中取得了很大进展,但其自身仍存在很多缺点,研究表明: 骨髓中每1x105个单核细胞中只有2-5个BMSCs[14];随着 年龄老化,干细胞数量显著降低,增殖分化能力明显减弱; 取材对供体有创伤,患有骨髓疾病者,不能采集。 1.1.2脂肪干细胞 脂肪干细胞(ADSCs)作为种子细胞, 近年来正逐渐成为研究热点。其有着诸多优点:脂肪组织中 ADSCs含量丰富,平均2xlO8/L;有多分化潜能;体外培养 倍增速度快;不易老化等。自发现ADSCs以来,Zuk等[15] 对其进行了深入的研究,证实其在适当的诱导条件下可以向 骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞和肌细胞等分化,表明具有多 分化能力。有学者将大鼠ADSCs复合到PLGA支架材料上, 植入裸鼠背部肌袋内,成骨形成骨组织,证明ADSCs具有异 位成骨能力。2009年,国外有病例报道(1例):通过自体 脂肪干细胞肌皮瓣内异位成骨修复上颌骨大面积缺损,取得 了较满意的效果[16] o Cui L等[17]在体外成骨诱导ADSCs, 以珊瑚为支架材料,成功修复了犬颅骨缺损。虽然ADSCs有 着良好的应用前景,但也存在着诸多问题:如何分离纯化, 确立鉴定标准,体内试验的研究情况还鲜有报道。这些都还 有待于进一步研究。 1. 1. 3其他组织来源成体干细胞近年来,有学者在外 周血液、骨骼肌、皮肤、肝脏等组织中也发现了具有多向分 化潜能的成体干细胞。Johnny Huard等成功分离出肌肉干细 胞(MDSC),对其鉴定发现其具有分化为骨细胞、脂肪细胞 和肌细胞的能力[18-19] o Yoshii等[20]最近的研究表明: 从骨小梁或松质骨分离出来的骨小梁内皮祖细胞有成骨细 胞的潜力,可用于构建组织工程化骨。从人的牙髓和牙周膜 分离出的多能干细胞也具有分化为成骨细胞的潜能,还可以 分化为牙本质、牙骨质、脂肪细胞和神经细胞等[21-23] o 1.2胚胎干细胞胚胎干细胞(ES)是源于早期胚胎、 原始生殖细胞的一类干细胞,由囊胚的内细胞团经分离后培 养获取,具有稳定的体外自我更新能力。理论上可诱导分化 为三个胚层的所有细胞,具有发育全能性。目前,以小鼠的 ES细胞系的体外培养技术最为成熟d998年,James Thomson 等成功地建立了人类ES细胞系[23],为研究人类胚胎的早 期发育奠定了基础。Buttery LD等诱导ES细胞向成骨细胞 分化,获得了接近纯化的成骨系胚胎干细胞。由于ES的无 限增殖性和多分化能力,其有望成为组织工程中理想的种子 细胞。但ES的研究目前尚处于初步阶段,限于医学伦理、 定向分化的控制、体内移植是否致瘤等问题,还需进一步研 究探索。 1.3成骨细胞成骨细胞来源于骨膜生发层, 具有一定的增殖能力。其主要功能是合成和分泌骨基质,以 及促进骨基质矿化成骨。四川大学华西医院于2000年开始 应用同种异体成骨细胞作为种子细胞复合生物衍生骨支架 材料构建组织工程骨,对52例患者不同部位骨缺损、骨不 愈合进行修复,取得了良好的治疗效果。术后平均随访一年 半左右,未发现明显组织排斥反应和其他并发症。初步证实 同种异体成骨细胞构建组织工程骨具有较强的增殖和成骨 能力。Pradel等用自体成骨细胞作为种子细胞,构建组织工 程骨修复牙槽突裂,影像结果显示:术后18个月,牙槽突 裂裂隙区有新骨形成,组织工程骨参与了修复工作。现今成 骨细胞亦存在一些问题:目前培养液还没有统一的标准;难 以大量获取且取材会对供体造成损伤;增殖能力不够强,使 其临床大规模应用受到限制。 1.4羊膜间充质细胞 羊膜间充质细胞(hAMCs)是近年 来研究证实的一种具有与BMSCs相似特性的干细胞。来源于 胎盘羊膜组织。胎盘是产后的废弃物。羊膜是胎盘最贴近胎 儿侧的一层半透明薄膜组织,表面没有血管、神经及淋巴组 织。在体外特定