骨組織工程的研究進展和面臨的問題

周曉　盛小伍　曾勇

骨組織工程的研究進展和面臨的問題

周曉盛小伍曾勇

【提要】骨缺損修復的移植物按其來源，可分為自體骨、同種異體骨、異種骨等，均存在自身的局限性。組織工程技術有望產生和人體骨類似的骨組織，解決目前骨缺損治療的局限性。我們針對骨組織工程，就其臨床研究進展以及亟待解決的問題進行綜述。

組織工程生長因子支架細胞外基質

修復骨缺損的移植物，按其來源可分為自體骨、同種異體骨、異種骨等，但均存在各自的局限性。自體骨移植被認為是骨移植的金標準，因為自體骨組織相容性好、無免疫原性，且與人體骨生理功能相同。但是，自體骨必須從患者自身獲取，患者需承受兩次手術的痛苦[1]，且供區可能產生瘢痕、損傷、畸形甚或殘障等，以及一系列的外科手術風險，如出血、炎癥、感染、慢性疼痛等[2-4]。當骨缺損部位較大，需要大面積骨組織修復缺損的時候，自體骨移植并不可行。同種異體骨由于其存儲大多經過了冷凍和干燥過程，通常情況下不含有細胞成分，并且存在傳播感染的風險，與宿主骨組織的整合速度較慢，其來源也有限（來源于尸體），無法滿足臨床應用的需求。異種骨和同種異體骨具有相同的缺點，并且其結構、功能與人體組織不匹配，因此一般很少使用[5]。組織工程技術可構建與人體骨類似的骨組織，解決目前骨缺損治療的局限性。組織工程的概念于上世紀80年代提出，是指通過體外培養或構建的方法，再造或修復組織及器官的技術。將由細胞、生物材料支架、生長因子三要素構建的復合物植入人體組織、器官的病損部位，作為細胞生長的生物材料支架逐漸被機體降解、吸收的同時，細胞不斷增殖、分化，形成新的形態、功能與人體相應組織一致的組織，從而達到修復由創傷、疾病、老化等引起的組織缺損和重建組織功能的目的[6]。我們針對骨組織工程，就其臨床研究進展以及亟待解決的問題進行綜述。

1　骨組織工程技術的臨床應用研究進展

有關骨組織工程臨床應用研究的報道不多，主要是因為大面積組織工程骨不能血管化，阻礙了骨組織工程的發展。現有的報道大多集中于組織工程骨治療小面積骨缺損。周曉等[7]應用人自體骨髓間充質干細胞作為種子細胞，構建組織工程骨，并修復3例下頜骨囊腫切除后下頜骨缺損，隨訪兩年，臨床療效穩定，表明以自體hBMSC為種子細胞，利用組織工程技術，可以在人體內形成穩定的組織工程化骨組織，并能修復下頜骨缺損。Nagata等[8]運用自體骨膜細胞、微小自體骨和富含血小板的血漿，構建復合物，移植修復腭裂和兔唇患者的牙槽骨，術后骨再生情況良好，骨組織活檢顯示成骨細胞和破骨細胞更新良好，并提示有血管生成。Pradel等[9]比較組織工程骨和自體松質骨治療腭裂患者的療效差別，6個月后觀察發現，組織工程骨移植組腭裂殘留缺口的體積小于自體松質骨移植組，組織工程骨移植組40.9%的腭裂缺陷已經骨化，而自體松質骨移植組36.6%的腭裂缺陷完成骨化。2013年，Zam iri等[10]利用同種異體骨為支架，骨髓間充質干細胞為種子細胞修復3例下頜骨缺損，術后觀察2年，效果滿意。高振濤等[11]利用自體ASCs成骨誘導分化，接種于DBM支架材料，成功構建組織工程骨組織，修復下頜骨缺損，術后5月植入種植體，種植術后一年種植體與骨組織愈合良好。因此，我們認為組織工程骨具有良好的應用前景，完全有可能在骨缺損修復領域中獲得廣泛應用，并取得良好的療效。

2　骨組織工程面臨的問題

目前，組織工程骨應用受限，隨面臨的最大問題是無法快速地實現血管化，尤其是大面積組織工程骨不能血管化。已有大量的研究聚焦于促進組織工程骨的血管化，主要圍繞生長因子、生物材料、共培養系統等三個方面。

2.1生長因子

在體骨生成牽涉到一系列生長因子和細胞因子的調控，血管再生和骨再生密切相關，為了誘導骨組織再生過程中的血管化，理想的骨組織工程技術應該同時運用一系列生長因子刺激誘導骨生成和血管生成。Solorio等[12]用明膠微粒包裹BMP-2，使之持續釋放，從而誘導hBMSC成骨分化。TGF-β和BMP-7聯合，可以促進在體骨生成[13]。BMP-7聯合BMP-2可以抑制大鼠BMSC的增殖，并促進其成骨分化[14-15]。VEGF和其他生長因子協同作用，可以促進骨組織工程的血管化。Tomanek等[16]研究VEGF和bFGF在血管生成方面的作用，發現VEGF可以誘導無血管區產生新生血管，bFGF可以促進血管生成，但是這種現象持續時間短暫。Formiga等[17]研究發現，通過聚乳酸羥基乙酸共聚物（PLGA）微粒，持續釋放VEGF，可以導致在體血管新生；但是，快速給予游離的VEGF，卻不能導致血管形成。Richardson等[18]研究發現，持續給予VEGF和PDGF，相較于單獨給予其中任何一種生長因子，具有更好的重建血管組織的能力。這些研究都表明，生長因子是促進組織工程骨血管化的一個很重要的因素，給予方式、濃度、劑量都必須達到最優化，否則都可能存在抑制骨組織和血管組織再生的可能。

2.2生物材料支架

支架給組織工程骨提供結構支持，組織工程骨支架材料主要包括金屬、陶瓷、人工或者天然的高分子材料、復合材料等，每一種材料都有其優缺點。金屬鈦生物相容性良好，但是無法降解[19-20]；陶瓷的機械力學性能很低，在承受負荷的時候可能會破碎，不能用于修復大面積的骨缺損[21-23]。通常情況下，根據對細胞的接觸、增殖、遷移、分化要求的不同，而采用不同性質的支架[24]。支架可以負載一些細胞生長因子，可以促進新生組織的血管生成[25-26]。

2.3共培養系統

在體骨生成是牽涉到骨再生和血管再生的一個非常復雜的過程，事實上血管再生是骨再生的前提[27]。為了促進組織工程骨的血管化，在促進骨生成的同時需要促進其血管化。因此，共培養系統具有重要意義。在生物材料支架上共培養骨髓來源的內皮細胞和成骨細胞，發現支架上出現了血管樣結構[28]。誘導間充質干細胞分化為內皮細胞后，再共培養間充質干細胞和間充質干細胞來源的內皮細胞，可以促進骨生成過程中的血管化[29]。Villars等[30]研究發現，共培養間充質干細胞和內皮細胞，可以促進成骨細胞的增殖和組織工程骨的血管化。但是，上述方法包括其他的一些已知的方法，尚不能使組織工程骨產生穩定和成熟的血管系統，這是目前組織工程骨無法實驗臨床應用的最大的瓶頸問題，亟待研究解決。

3　展望

綜上所述，組織工程科技術的運用已經取得了長足的進步，已有一些成功運用于臨床的個案，除了臨床應用組織工程技術修復骨缺損外，也有用于修復關節軟骨[31]、氣管和支氣管[32-34]、膀胱損傷[35]等的報道。目前，組織工程技術還處于研究的初期，還存在很多的局限性。就骨組織工程而言，最大的問題是不能產生和人體自然骨組織一樣良好并且穩定的血管組織，骨組織工程缺乏血管化是目前妨礙骨組織工程應用于臨床的最大障礙。鑒于一些新興技術正處于驗證中，而且再生醫學和組織工程技術是當前科學界研究的熱點，相信在不久的將來這些困擾都會解決。近幾年，整體器官去細胞化技術已獲成功[36]，使得構建整個器官的支架也成為可能，并且這是由自然的細胞外基質構成的支架，可以提供生物信號以及保持組織的微結構，并且整個血管系統可以整合到宿主的循環系統，去細胞技術使得構建整體器官成為可能。因此，我們有理由相信，未來組織工程技術將會廣泛運用于臨床。

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The Research Progress and L im itations of Bone Tissue Engineering

ZHOU Xiao,SHENG Xiaowu,ZENG Yong. Hunan Cancer Hospital,Changsha 410013,China.Corresponding author:ZHOU Xiao(E-mail:cccdon@sina.com).

【Summary】The graft for repairing bone grafts can be categorized as autografts,allografts,and xenografts.However,each type of donor tissue comes with its own set of limitations.Tissue engineering strategies have been applied as promising alternatives to produce bone constructs that mimic the structure of natural bone and solve the limitations of bone defect treatment.In this paper,the research progress of bone tissue engineering was reviewed,and the limitations of current bone tissue approacheswere discussed.

Tissue engineering;Growth factor;Scaffolds;Extracellularmatrix

Q813.1+2

B

1673－0364（2016）05－0319－03

10.3969/j.issn.1673-0364.2016.05.013

國家衛生計生委臨床重點專科（腫瘤科）建設項目子項目。

410013湖南省長沙市湖南省腫瘤醫院。

周曉（E-mail：cccdon@sina.com）。

（2016年5月9日；

2016年5月28日）