組織工程角膜載體支架研究進展

趙鈺+王燕

【摘 要】目前全球范圍內，因角膜疾病而導致失明的人數逐年增加，僅次于白內障。組織工程角膜為解決供體角膜的嚴重匱乏這一難題提供了理想的思路和方法。組織工程角膜是指利用組織工程技術以及生物材料或人工合成材料為載體，將角膜的種子細胞接種在載體上進行培養，體外重建角膜組織，構建與正常角膜功能等效的活性人工角膜以取代人體供體角膜，解決角膜材料來源的缺乏。其中角膜載體支架是角膜細胞能夠發揮正常生理功能的場所，為角膜細胞的生長增殖和遷移提供了良好的微環境，因此構建一個理想的載體支架是組織工程角膜的關鍵。

【關鍵詞】組織工程角膜；載體支架；羊膜；膠原；絲素蛋白；殼聚糖

角膜是位于眼睛前端的透明結構，承擔了眼睛超過2/3的折射功能，可以吸收紫外線，而且是眼睛內部與外部環境的物理屏障，能夠阻止細菌和其他外來感染[1]。全球范圍內因外科創傷、細菌病毒感染及遺傳環境導致的角膜功能缺失和視覺損傷的患者已超過100萬人[2]。角膜移植是替換受損或壞死的角膜的主要治療方式，然而存在供體角膜的嚴重缺失和排斥反應的問題。為解決這個問題，研究者們進行了很多嘗試：構建人工材料的角膜移植、利用脫細胞的動物源或人源的角膜支架、利用無細胞的膠原交聯形成支架等[3]。

目前報道的可用于構建組織工程角膜的天然生物材料主要有：膠原支架[4]、羊膜[5]、絲素蛋白[6]、殼聚糖[7]等。

1、膠原

膠原有以下特點：1.膠原是脊椎動物體內組成結締組織的主要成分，它的不同組織形式構成了具有不同機械屬性的結構（牙齒、骨、心肌、肌腱、皮膚、角膜、韌帶、椎間盤等）；2..膠原是產生肌肉骨骼葉間原基的主要胚胎模板分子；3.最近的研究數據顯示膠原纖維是通過機械張力來穩定的，而且與膠原一起構成細胞外基質分子可能參與組成一個靈敏的、負載適應的、脊椎動物中普遍存在的結構系統[8]。膠原作為角膜組織的主要成分和結締組織中承擔機械性能的成分，已經被廣泛的研究其作為角膜組織工程支架材料的可能性[9]。已經有報道利用EDC交聯人III型膠原構建角膜替代物移植了10例患者，并跟蹤觀察了24個月。在10例患者中均發現移植的III型膠原能夠刺激角膜細胞和神經的再生，伴隨著淚膜恢復和過敏反應[10]。

2、羊膜

羊膜是人胎盤的最內層，呈半透明的膜樣組織，自外向內分為5層，厚度在20-500μm之間，是人體最厚的基底膜。羊膜結構致密，機械性能較好，且無抗原性，在組織工程技術中應用廣泛。羊膜可以抑制白細胞介素的表達，調節炎性趨化因子表達，可以對炎癥反應起到抑制作用。在羊膜上接種兔的角膜緣干細胞，然后進行自體移植。術后5d，移植復合物就與眼結膜上皮愈合，完全上皮化[11]。有研究表明，將兔角膜基質細胞與羊膜共培養，會促進角膜基質細胞中蛋白多糖的表達。但羊膜多來源于異體，有可能會攜帶致病病毒或病菌，有傳播疾病的潛在危險性。

3、絲素蛋白

絲素蛋白是蠶絲的主要結構蛋白，含量達70%-80%，含有多種氨基酸。研究發現，絲素蛋白具有很好的力學性能、良好的人體親和性、無細胞毒性、生物相容性和可降解性等，這些特點使絲素蛋白能夠應用于組織工程角膜。Gil等合成的絲素蛋白膜透明度好、可生物降解、機械性能強，接種HCSC后細胞在絲素蛋白膜能按一定規則的方向排列生長和增殖，而且14d后，細胞仍能分泌合成V型膠原和蛋白聚糖。Lawrence等以絲素蛋白為原料制備透明度高、厚度與孔徑大小穩定的絲素蛋白膜，并接種人和兔角膜基質細胞后，發現細胞在支架內生長狀態良好，具有理想的生物相容性[12]。Bray等也證實了角膜上皮細胞能在絲素蛋白膜生長良好并能正常表達角蛋白3和角膜蛋白12。由以上研究結果表明絲素蛋白在組織工程角膜領域中有很好的前景，有其優良的性能，將會有更多的研究者加入其中。

4、殼聚糖

殼聚糖是甲殼素進行脫乙?；蟮漠a物，是具有多氨基的多糖類物質，生物相容性較好，其在體內降解產生的物質對人體無毒害作用，且來源廣泛、價格便宜，能夠作為組織工程的支架材料的來源。殼聚糖制備的載體支架材料除具有良好的生物相容性，還具有抑菌性和促進愈合的性能。將殼聚糖支架與兔角膜基質細胞構建組織工程角膜基質，并進行板層移植。兩周后植片脫落，表明機械性能不好；產生了新生血管，說明殼聚糖還具有潛在的免疫原性。而且殼聚糖分子量大小很難控制，降解速率不理想，且無法形成有效的孔結構，故臨床上受到很大限制。

組織工程技術的興起和發展為眼表移植和再造提供了最理想的方法。如何在體外獲得功能正常的人角膜種子細胞以及如何研制出生物相容性理想的載體支架是組織工程人角膜上皮體外重建的兩大關鍵要素，也是目前角膜組織工程的研究熱點和主攻目標。組織工程角膜的板層移植在臨床上取得的初步成功已顯示了它的巨大潛力，已成為國內外研究的熱點。

【參考文獻】

[1] Smolin G， Thoft RA. Boston： Scientific Foundations and Clinical Practice.The cornea.1983

[2] Whitcher JP， Srinivasan M， Upadhyay MP. Corneal blindness： a global perspective. Bull World HealthOrgan.2001，79：214-21

[3] McLaughlin CR， Tsai RJ， Latorre MA， Griffith M. Bioengineered corneas for transplantation and in vitro toxicology. Front Biosci. 2009， 14： 3326-3337

[4] Doillon CJ， Watsky MA， Hakim M， Wang J， Munger R， Laycock N， Osborne R， Griffith M. A collagen-based scaffold for a tissue engineered human cornea： physical and physiological properties. Int. J. Artif. Organs. 2003， 26： 764-773endprint

[5] Grau AE， Duran JA. Treatment of a large corneal perforation with a multilayer of amniotic membrane and TachoSil. Cornea， 2012， 31 ：98-100

[6] Lawrence BD， Marchant JK， Pindrus MA， Omenetto FG， Kaplan DL. Silk film biomaterials for cornea tissue engineering. Biomaterials. 2009， 30 （7）： 1299-1308

[7] Liang Y， Liu WS， Han BQ， Yang CZ， Ma Q， et al. Fabrication and characters of a corneal endothelial cells scaffold based on chitosan. J Mater.Sci. Mater. Med. 2011，22（1）： 175-183

[8] Bhole AP， Flynn BP， Liles M， Saeidi N， Dimarzio CA， Ruberti JW， et al. Mechanical strain enhances survivability of collagen micronetworks in the presence of collagenase： implications for load-bearing matrix growth and stability. Philos Transact A Math Phys Eng Sci. 2009， 367： 3339-62

[9] Tao C， Sun Y， Zhou CQ， Han ZL， Ren QS. Effects of collagen crosslinking on the interlamellar cohesive strength of porcine cornea.Cornea. 2013，32：169-173

[10] Fagerholm P， Lagali NS， Merrett K， Jackson WB， Munger R， et al. A biosynthetic alternative to human donor tissue for inducing corneal regeneration： 24-month follow-up of a phase 1 clinical study. Sci Transl Med. 2010， 2： 46-61

[11] Koide M， Osaki K， Konishi J， Oyamada K， Katakura T， et al. A new type of biomaterial for artificial skin： dehydrothermally cross-linked composites of fibrillar and denatured collagens. J. Bio-med. Mater. Res.1993， 27： 79-87

[12] Lawrence BD， Marchant JK， Pindrus MA， Omenetto FG， Kaplan DL. Silk film biomaterials for cornea tissue engineering. Biomaterials. 2009， 30 （7）： 1299-1308endprint