組織工程支架材料在膀胱修復中的應用進展

趙陽 張明 綜述 王忠 盧慕峻 審校

腫瘤、結核、神經源性膀胱以及一些先天性膀胱疾病都可導致膀胱缺損，需進行修復重建。利用胃腸道替代膀胱是目前臨床中最常用的方法，存在著諸多并發癥，且會造成新的損傷。組織工程技術為膀胱修復與重建開辟了一條嶄新的途徑。近年來，利用組織工程技術進行膀胱修復重建的實驗和臨床研究逐年增加。

目前組織工程膀胱重建有兩種方法：一種是利用單純支架材料重建，另一種是種子細胞復合支架材料進行膀胱修復。目前的研究表明，后者在構建膀胱解剖結構、恢復膀胱功能方面要遠遠優于前者[1]。目前絕大部分膀胱組織工程重建實驗都采用種子-細胞復合支架材料的重建方法。

支架材料的研究是組織工程膀胱修復重建的重要基礎。近些年來，支架材料的研究發展迅速。理想的膀胱修復材料應具有以下性能：良好的生物相容性，可靠的機械性能，能抵抗腹膜內及腹膜外感染，不影響正常腎功能，具有良好的收縮能力，并通過神經和膀胱平滑肌再生后具有自主排尿功能等[2]。

1 天然生物材料

1.1 天然細胞外基質

細胞外基質（Extracellular matricx，EMC）是由細胞自身合成并分泌到胞外，分布在細胞表面或細胞之間的大分子物質，主要含有膠原蛋白、纖維蛋白黏連素、層黏連蛋白等。目前，在泌尿系統中應用最多的是膠原（Collagen）。Engelhardt等[3]將人膀胱平滑肌細胞和上皮細胞分別種植在可塑壓縮膠原支架內部和表面。結果發現，材料表面和內部出現了高效的細胞種植及細胞增殖，認為可塑壓縮膠原支架具有組織工程膀胱修復的巨大潛能。

膠原本身無毒性，組織相容性好，還可刺激移植組織產生新的膠原，且降解產物也可被機體吸收。但其機械強度較差，在體內降解過快，不同批次制備的膠原生化性質也有著較大的差異，這些都限制了膠原支架材料的進一步應用。

1.2 脫細胞基質

脫細胞基質材料是利用同種或異種組織，通過機械和化學方法去除組織中的細胞、抗原等成分，僅保留細胞外基質（ECM）。具有多種天然細胞外成分，有利于細胞的黏附、增殖和分化，并具有一定的力學強度。目前在膀胱修復過程中應用較多的脫細胞基質材料，是膀胱黏膜下脫細胞基質（Bladder acellular matrix graft，BAMG）和小腸黏膜下脫細胞基質（Small intestinal submucosa，SIS）。

BAMG來源于膀胱組織，與人膀胱組織結構最接近，生物相容好，具有修復膀胱組織的獨特優勢，是較為理想的天然生物支架。盧慕峻等[9]發現，尿路上皮細胞、膀胱平滑肌細胞與BAMG體外構建，能夠形成類似膀胱壁的結構。Liu等[10]通過體外實驗比較不同組織來源的生物學性能，發現不同組織來源的細胞外基質材料都具有很好的生物相容性，而與其他細胞外基質相比，BAMG則表現出更好的吸水性、抗生物降解性、機械性能及干細胞吸附能力。Zhu等[11]用BAMG修補缺損不同的膀胱（A組30%～40%缺損，B組60%～70%缺損），24周后，發現A組膀胱容量達到原容量的95%左右；組織學上，尿路上皮和平滑肌細胞生長良好，規則分布，接近完全再生。而B組膀胱容量僅達到原容量的65%左右；組織學上，尿路上皮和平滑肌細胞生長不均，分布雜亂。由此可見，BAMG是修補膀胱缺損的良好支架材料，但并不適用于修補缺損較大的膀胱。

SIS是一種源于小腸的新型脫細胞基質材料，保留有天然的膠原纖維網狀結構，并含有多種生長因子[4-5]。更為重要的是，SIS可以開啟特定部分的組織重建，并指引周圍細胞增殖、分化以及新血管的形成[6]。SIS的上述結構和特點，使其受到極大關注。韓平等[5]將膀胱平滑肌細胞種植在SIS上，發現SIS促進了膀胱平滑肌細胞黏附和增殖；進一步研究證實，這與小腸黏膜下層特殊的三維支架結構以及所含的生長因子有密切關系。而Kropp等[7]指出，并非所有的SIS材料都適用于膀胱重建，只有大于3歲母豬遠段回腸的SIS才具有穩定可靠的組織再生能力。John等[8]發現，SIS在體內也會引起炎癥反應。去細胞不完全的SIS材料可能引起嚴重的免疫反應。所以，優化SIS的制備方法，篩選出修復能力穩定可靠的SIS，是今后研究的重要方向。

1.3 羊膜

由羊膜上皮、基底膜及基質三部分組成。脫細胞羊膜富含膠原，無細胞毒性，具有較好的機械性能和低免疫原性，且來源廣泛，易加工處理，無倫理學問題。Kazuyoshi等[12]使用脫細胞羊膜和小腸黏膜進行體外膀胱修復的比較，發現兩者作為膀胱支架的作用基本相同，人羊膜上也生長出了足夠的上皮細胞、逼尿肌纖維和神經纖維，形成了有功能的膀胱，表明脫細胞羊膜可以作為組織工程膀胱的替代修補材料。但羊膜存在感染潛在疾病的風險。

膠原、膀胱黏膜下脫細胞基質和小腸黏膜下脫細胞基質及羊膜等，作為天然的生物材料，具有與人體最接近的網架結構、活性因子和多種信號分子，因此易被人體組織識別，建立信號連接，引發自身修復機制，實現材料降解與組織器官再生同步化，顯示出人工合成支架材料無可比擬的優勢。但天然生物材料也存在一些問題[13]，如機械強度較差，無法規模化、標準化生產，在體內降解較快，易感染潛在疾病等，限制了它們的廣泛應用。

2 人工合成高分子聚合材料

人工合成高分子聚合材料種類繁多，包括聚乳酸（PLA）、聚羥基乙酸（PGA）、聚己內酯（PCL）、聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）、聚乳酸-己內酯共聚物（PLCL）、聚氨酯（PU）等。這些材料可根據不同需求，制備成不同形狀與結構的三維支架，并精確地控制其機械性能、降解率、孔隙率和孔徑。人工合成高分子聚合材料具有極好的應用前景。

盧慕峻等[14]將膀胱平滑肌細胞和尿路上皮細胞植入PGA支架中，在體外成功構建出類似復層膀胱壁的結構，認為PGA具有作為組織工程膀胱修復支架的可行性。Feng等[15]研究了PLGA和水性聚氨酯（WBPU）支架，并比較了膀胱平滑肌細胞（BSMc）在PLGA和WBPU上的黏附、增殖及BSMC-α-肌動蛋白的表達。結果顯示，WBPU優于PLGA，認為WBPU材料是一種新的優良的組織工程膀胱修復支架。

人工合成高分子聚合材料，雖然得到了廣泛的應用，但生物相容性差，生物活性低，缺少細胞外基質中的各種生物信號及功能基團，直接影響到種子細胞的黏附、分化。為改善人工合成材料的內部結構和表面特性，復合材料以及經修飾和改性等預處理的材料成為了當下研究的熱點。

3 復合支架材料

復合支架材料是由兩種或兩種以上的材料優化組合而成。在組織工程膀胱修復中，由天然生物材料和人工合成材料組成的復合材料最為多見。天然生物材料具有較好的組織相容性，無毒，為細胞生長、黏附、分化提供了最接近于人體的微環境，但缺乏足夠的力學強度，降解較快，無法規模化、標準化生產。而大部分人工合成材料都屬于 “生物惰性材料”，生物活性弱，缺乏細胞識別位點，不能支持細胞在材料表面的黏附、增殖、分化，但卻具有良好的力學特性，能大規模生產。天然生物材料和人工合成材料的復合，可彌補單一材料的缺點，能滿足組織工程膀胱修復與重建的各種需求。

Stankus等[16]分別制備了可降解的聚（酯-聚氨酯）-尿素（PEUU）支架和豬ECM支架，并結合成UBM-PEUU復合支架。結果表明，與單純PEUU相比，復合支架體外降解增加，并具有較強的細胞黏附、滲透、增殖能力；與單純ECM支架相比，其機械強度和柔韌性都顯著增加，并能誘導組織重塑，是一種較為理想的支架材料。Engelhardt等[17]將人類膀胱平滑肌和上皮細胞在膠原-PLAC復合支架上體外培養2周。結果表明，與單獨PLAC相比，膠原-PLAC復合支架在體內炎癥反應較少，表現出高效的細胞種植、增殖和良好的機械性能。

Atala等[18]將尿道上皮細胞和平滑肌細胞種植到單純BAMG支架及膠原-PGA復合支架上。結果顯示，與單純BAMG支架組相比，膠原-PGA復合材料組膀胱功能獲得持續改善，其平均最大膀胱容量、平均膀胱順應性、平均膀胱漏尿點壓、最大平均日間無尿漏間隔等方面均更具有優勢。用膠原-PGA復合材料進行的膀胱重建術首次在臨床試驗中獲得成功，顯示了復合材料應用于膀胱修復的巨大潛力。

4 材料的預處理

已有的組織工程支架材料各有優缺點，為了更好地發揮支架材料的作用，針對材料進行預處理，以使其更符合組織構建的要求。

Liu等[19]把尿路上皮細胞和平滑肌細胞種植到經氧化處理過的豬膀胱脫細胞黏膜下層上，并植入體內。發現與未經處理的支架相比，經氧化處理過的支架孔隙率和孔徑增大，拉伸強度增加，細胞的滲透能力也顯著增強。Mondalek等[20]把透明質酸-聚乳酸-羥基乙酸共聚物納米微粒 （HA-PLGA NPs）加入豬小腸黏膜下層（SIS）修飾后，發現其穩定了SIS的多孔結構，提高了表面的生物相容性和組織修復能力。與未修飾的SIS相比，其血管再生能力顯著增強。另有研究表明，添加堿性成纖維生長因子以及網膜包裹預置等預處理也能顯著增加修復部位的血管化，有效促進組織修復再生[21-22]。

經過預處理，可進一步優化這些支架材料，使其表現出一些新的性質，擴大了應用范圍。

5 納米材料

隨著納米生物技術的快速發展，納米材料也開始應用于組織工程膀胱修復。納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1～100 nm），或由它們作為基本單元構成的材料。納米支架材料具有表面積/體積比大、孔徑大、孔隙率高、擴散能力強等特點，能促進細胞黏附、遷徙和增殖。

納米材料憑借著傳統材料無可比擬的生物學性能，正成為最具發展潛力的支架材料。Miller等[23]發現，和普通PLGA支架相比，具有納米結構的PLGA支架增加了對纖連蛋白和玻連蛋白的吸附，納米支架上的細胞黏附和生長明顯優于普通支架，認為納米材料的結構可能有利于改善支架的生物相容性。Harrington等[24]將納米級的縮氨酸涂在PGA支架上，經體外培養后發現，與單純PGA支架相比，生長在納米復合物上的BSM密度更大，說明納米復合材料支架促進了BSM的生長、增殖。

利用組織工程技術進行膀胱的修復重建是一種理想的重建方法，而支架材料的選擇極為重要，是研究的熱點和難點。隨著材料科學和其他相關學科的進一步發展，目前應用于膀胱組織工程構建的各種材料，將得到進一步的完善，從而使得組織工程膀胱構建能真正應用于臨床。

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