组织工程骨血管化的研究进展.doc

1 组织工程骨血管化的研究进展作者:何清义李强温立升许建中【关键词】骨髓基质干细胞组织工程骨具有巨大的临床需要及应用前景, 用组织工程骨(tissue engineering bone , TEB )修复骨缺损的研究方兴未艾。目前大部分的研究都停留在小动物( 如鼠、兔)体内原位或异位成骨, 修复部位大都为非负重骨缺损, 新生的骨组织还不能满足临床应用的需要。目前应用大块 TEB 修复大段骨缺损时, 其核心部位往往发生缺血坏死, 使修复归于失败,其主要原因在于未能很好解决 TEB 的血管化问题〔1〕。因为小块组织工程骨植入体内后, 早期依靠组织液的渗透可获得营养, 而大块组织工程骨仅靠组织液的渗透是远远不够的。目前国内外关于血管重建( 包括毛细血管) 研究尚处于起步阶段, 主要方法有: (1) 血管内皮细胞或血管平滑肌细胞+ 生物材料〔 2、3〕; (2) 生物材料+ 预制血管蒂或筋膜包裹; (3) 生物材料+ 促血管生长因子〔 4〕。第 1 种方法需要大量培养、扩增血管内皮细胞, 周期长, 而且需要从自体切取血管用于血管内皮细胞的分离、培养;第2 种方法能够得 2 到血管化的 TEB ,但必须将 TEB 异位植入,待血管束长入后再断蒂用于移植, 不但有异位创伤的问题而且等待的时间也较长。直接应用促血管生长因子在体内迅速降解为无活性的片段, 并且其在体内的半衰期较短, 会很快流失在周围组织中,达不到理想的效应浓度;如果采用首次大剂量给药, 易导致局部血管瘤〔5〕。现常用的缓释技术如材料表面化学结合、高分子材料微囊包裹技术等,不仅损害其生物活性, 其缓控释作用也存在多方面不足。有学者通过尽量模拟体内血管发生与生成的生理过程, 构建组织工程血管来解决此问题。血管的形成分为血管发生(vasculogenesis) 和血管生成(angiogenesis) 。血管发生主要发生于胚胎期,通过内皮前体细胞(endothelial progenitor cells , EPCs) 分化成内皮细胞, 在中胚层内形成血管丛, 此过程受 VEGF 控制;血管丛的塑型、扩张属于血管生成过程, 主要由血管生成素 1(angiopoietin1,Ang1) 调控〔6〕。血管分子生物学已破译了许多复杂的血管形成级联反应,包括: (1) 启动: 缺氧环境刺激 VEG F 分泌并结合 VEG F 受体(VEGFR) , 刺激内皮细胞增殖、迁移进入微血管间隙; (2) 增生: 活化的内皮细胞形成纤维条索状突起结构; (3) 塑型: Ang1 与内皮细胞受体 Tie2 结合〔7〕, 吸引周细胞、平滑肌细胞包绕幼稚血管。旧的围绕基质消化, 并形成新的基质沉积。中空结构 3 形成, 周细胞环绕内皮, 形成围绕血管的连续基膜。(4) 血管成熟: 在体内, 通过灌注率和剪切力、低氧、其他生长因子等代谢因素作用于内皮,使多余细胞进入血循环、去分化、凋亡而成熟。因此, 血管形成是一个有多种内分泌、旁分泌因子相互作用的多步连续反应, 是一个生理需要与病理修复持续的动态过程,它涉及到细胞(EPCs 、内皮细胞) ,细胞因子(VEGF 、 Ang1) 以及生物应力等。内皮细胞是血管生成过程中的最重要的调节细胞, 所有的成血管因素皆围绕它发挥作用。但内皮细胞培养耗时费力,其规模扩增相当困难,并且内皮细胞的获取创伤较大,来源( 静脉或动脉血管) 极其有限,因而远远不能满足临床需要。内皮前体细胞(EPCs) 存在于骨髓、脐带血与外周血中, 前二者含量较丰富, 后者含量较少(EPCs 仅及前二者的十分之一), EPCs 被称为睡眠中的成体干细胞(sleeping adult stem cells) ,它不仅可以分化为内皮细胞, 还可分化为心肌细胞、平滑肌细胞等, 其特征性的表型为表达三种细胞标记(CD133 , CD34 , VEGFR2 )〔8、9〕。最新的研究表明 EPCs 在成体血管形成中起着重要作用,在缺血后肢、缺血心肌、损伤角膜、损伤皮肤以及肿瘤增生的血管形成中维持血管形成, 替代脱落的内皮细胞并最终完成内皮化〔 10~12 〕。 Yuyama 等〔 13 〕的临床研究发现, CD3 4 阳性的 EPCs 能够从骨髓中迁移出来参与新生血管的发生(neovascularisation) ,运用含有 EPCs 的骨髓单核细胞 4 (27 × 10~ 07× 109 ells /人) 注入缺血肢体的腓肠肌( 试验组), 与注射生理盐水的对照组比较, 4 周后其腋踝指数、透皮氧分压、静止疼痛和无痛行走等指标都有显著提高, 这种改善和提高一直持续到 24 周,作者认为 EPCs 注射是一种安全、有效的治疗性血管手段。从狗的外周血中获取 EPCs ,经扩增后预植入Ⅰ型胶原网中,聚亚***酯(pol