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        組織工程與修復(fù)重建技術(shù)在小兒外科的應(yīng)用進(jìn)展

        2020-02-28 02:49:39趙衛(wèi)華朱光輝
        臨床小兒外科雜志 2020年11期
        關(guān)鍵詞:軟骨干細(xì)胞外科

        趙衛(wèi)華 朱光輝

        美國(guó)學(xué)者Vacanti和Langer于1993年提出組織工程學(xué)(tissue engineering)這一概念,給修復(fù)重建外科的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇[1]。之后二十余年,眾多學(xué)者探索利用組織工程學(xué)方法修復(fù)組織缺損、重建結(jié)構(gòu)和功能,效果良好。組織工程學(xué)基于對(duì)正常組織和病理組織中結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系的理解,是一門(mén)融合工程學(xué)和生命科學(xué)原理,研發(fā)能夠恢復(fù)或改善組織、器官功能的生物替代物的學(xué)科[2,3]。

        在小兒外科臨床工作中,腫瘤、先天畸形、創(chuàng)傷和感染常導(dǎo)致組織(器官)缺損,需要足夠數(shù)量的組織進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能的外科重建[4,5]。但和成人相比,兒童自體組織體積小,取組織后供區(qū)殘留畸形,影響美觀。而同種異體器官移植作為一種替代方案,也存在可供移植供體器官短缺的問(wèn)題[6]。即便確定了合適的供體并進(jìn)行了移植,供體器官的排斥反應(yīng)和免疫抑制劑的毒性作用也讓兒童器官移植工作發(fā)展緩慢[7,8]。隨著組織工程的發(fā)展,基于少量自體材料開(kāi)展的組織工程修復(fù)重建能減少損傷,達(dá)到長(zhǎng)期的功能修復(fù)與重建[4,5,9]。因兒童機(jī)體可持續(xù)生長(zhǎng)的特性,其細(xì)胞來(lái)源的工程化組織是研究疾病機(jī)制和新治療方法的寶貴模型,組織工程與修復(fù)重建在小兒外科也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。本文介紹組織工程與修復(fù)重建在小兒外科的發(fā)展,并討論其所面臨的機(jī)遇及挑戰(zhàn)。

        一、組織工程與修復(fù)重建在小兒外科領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展

        組織工程與重建外科的基本程序是先從機(jī)體獲取少量活體組織,用特殊的酶或其他方法將細(xì)胞(又稱(chēng)種子細(xì)胞)從組織中分離出來(lái),在體外進(jìn)行培養(yǎng)擴(kuò)增,然后將擴(kuò)增的細(xì)胞與具有良好生物相容性、可降解性和可吸收的生物材料(支架)按一定比例混合,使細(xì)胞黏附在生物材料(支架)上形成細(xì)胞-材料復(fù)合物,隨后將該復(fù)合物植入機(jī)體的組織或器官病損部位。隨著生物材料在體內(nèi)逐漸被降解和吸收,植入的細(xì)胞在體內(nèi)不斷增殖并分泌細(xì)胞外基質(zhì),最終形成相應(yīng)的組織或器官,從而達(dá)到修復(fù)創(chuàng)傷和重建功能的目的[10,11]。它雖然是細(xì)胞學(xué)、材料學(xué)、免疫學(xué)、基因工程、仿生學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)等多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物,但其基礎(chǔ)仍是種子細(xì)胞、生物材料和組織構(gòu)建,這三要素的研究發(fā)展是其進(jìn)步和發(fā)展的基礎(chǔ)。

        (一)種子細(xì)胞

        自體成體細(xì)胞來(lái)源有限,且生長(zhǎng)緩慢,應(yīng)用潛力小。胚胎和胎兒組織來(lái)源的干細(xì)胞雖然分化能力強(qiáng),但存在倫理和成瘤安全性問(wèn)題。成體干細(xì)胞來(lái)源廣泛,增殖潛力強(qiáng),但分裂次數(shù)有限,易累積遺傳變異。誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)技術(shù)通過(guò)導(dǎo)入特定的轉(zhuǎn)錄因子,將終末分化的體細(xì)胞重編程為多能性干細(xì)胞,不使用胚胎細(xì)胞或卵細(xì)胞,因此不存在倫理學(xué)問(wèn)題,降低了發(fā)生免疫排斥反應(yīng)的可能性[12,13]。Hayashi等[14]研究開(kāi)發(fā)了一種2D培養(yǎng)系統(tǒng),該系統(tǒng)可以通過(guò)促進(jìn)iPSCs的自發(fā)分化,制造出功能性的角膜上皮組織,并通過(guò)動(dòng)物模型驗(yàn)證。Kannappan等[15]利用iPSCs在體外培養(yǎng)心肌細(xì)胞,之后將這些細(xì)胞處理制作成“貼片”附于心肌壞死的部位得到有效的修復(fù),基于該方法的實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)證據(jù)也顯示,心臟左心室的泵送能力得到改善。Ouchi[16]利用源自健康人類(lèi)供體和肝臟疾病患者的iPSCs,開(kāi)發(fā)了一種生物工程復(fù)合多細(xì)胞肝臟的方法,包含肝細(xì)胞、星狀細(xì)胞和Kupffer樣細(xì)胞等,能在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)炎癥、纖維化和肝病的特征。目前iPSCs在體外已成功地被分化為神經(jīng)元細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、心血管細(xì)胞和原始生殖細(xì)胞等,但其免疫原性、潛在致瘤性與表觀遺傳學(xué)變異問(wèn)題仍是臨床應(yīng)用的主要隱患[17]。

        (二)生物材料

        生物材料在推動(dòng)組織工程領(lǐng)域的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用,是生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)和工程等學(xué)科結(jié)合的產(chǎn)物[18]。生物材料可用來(lái)替換、修復(fù)和維持器官結(jié)構(gòu),在過(guò)去的二十余年中,許多支架被開(kāi)發(fā)用于各種組織工程。然而,部分支架的缺點(diǎn)在于機(jī)械材料失效、材料相關(guān)感染和機(jī)體對(duì)植入材料的免疫原性反應(yīng)。考慮到這些局限,為兒童應(yīng)用而設(shè)計(jì)的支架需要進(jìn)一步改進(jìn),即材料必須隨著生理和環(huán)境的變化、植入時(shí)間的增長(zhǎng)而發(fā)生生長(zhǎng)和重塑。此外,也要考慮到兒童免疫排斥反應(yīng)隨年齡增大而出現(xiàn)一些變化的可能。

        天然支架由蛋白質(zhì)或碳水化合物組成,具有特殊的生化、機(jī)械和結(jié)構(gòu)特性。它們可以從植物或動(dòng)物組織中提取,具有生物相容性和生物降解性。例如膠原蛋白、殼聚糖、透明質(zhì)酸、纖維蛋白和明膠都是天然的支架材料,已經(jīng)應(yīng)用于組織的修復(fù)和重建[19,20]。豬皮膠原蛋白是一種商業(yè)化移植物,呈片狀,無(wú)細(xì)胞,不引起免疫反應(yīng),可用于腹壁缺損患者。由有機(jī)硅衍生物與透明質(zhì)酸片段結(jié)合而成的復(fù)合物已經(jīng)被用于治療兒童燒傷患者,能完全覆蓋真皮,促進(jìn)皮膚愈合。其基質(zhì)的降解速度較慢,為傷口完全愈合提供了足夠的時(shí)間[21]。Ruszymah以纖維蛋白為支架培養(yǎng)耳廓軟骨細(xì)胞,可用于制備彈性軟骨[22]?;蜓芯勘砻?,組織工程軟骨與天然彈性軟骨相似,可作為兒童耳再造手術(shù)的支架。Guyette等[23]使用器官捐贈(zèng)者的心臟去細(xì)胞支架作為材料,接種人的iPSCs及其誘導(dǎo)成的心肌細(xì)胞來(lái)構(gòu)建組織工程心臟獲得成功,構(gòu)建的“心臟”具有電傳導(dǎo)性、收縮和新陳代謝功能。

        人工合成的生物材料由于其物理和生物特性可被改變,且可以大量復(fù)制,而成為目前熱門(mén)的支架材料。合成生物材料包括乙醇酸衍生物、乳酸衍生物和其他聚酯衍生物、水凝膠等。Shin’oka等[24]采用L-丙交酯/ε-己內(nèi)酯(1∶1)共聚物作為兒童自體骨髓細(xì)胞的支架,制作全腔靜脈肺動(dòng)脈連接的導(dǎo)管和先天性心臟缺陷的補(bǔ)片,患者平均年齡5.5歲,隨訪1.3~31.6個(gè)月,導(dǎo)管和補(bǔ)片功能與活體組織相同,CT斷層掃描顯示沒(méi)有動(dòng)脈瘤形成或鈣化。隨著時(shí)間的推移,導(dǎo)管直徑增大,而目前的人工假體植入物則沒(méi)有這種生長(zhǎng)能力。Roh等[25]用聚己內(nèi)酯-丙交酯共聚物包被聚乙醇酸網(wǎng)構(gòu)建可生物降解管狀支架,為兒童心血管組織工程應(yīng)用創(chuàng)造了一種具有修復(fù)、重塑和生長(zhǎng)潛能的血管支架。

        水凝膠是由在水溶液中膨脹的聚合物鏈組成的,可以是天然的,也可以是合成的,可以在體內(nèi)被天然酶降解并最終被吸收。水凝膠具有典型的生物相容性,含水量大,不引起免疫反應(yīng)和炎癥。因此,水凝膠可以用來(lái)包裹細(xì)胞和制作支架[26]。水凝膠也可采用注射的形式用于修復(fù)不規(guī)則形狀的缺損,也用于整形手術(shù)。這些凝膠在藥物傳遞和細(xì)胞包裹方面得到了廣泛研究。有學(xué)者以可降解水凝膠和不可降解高密度聚乙烯為內(nèi)固定支架,用人鼻中隔軟骨細(xì)胞在無(wú)胸腺小鼠體內(nèi)構(gòu)建組織工程氣管,顯示了很好的生物相容性,可見(jiàn)細(xì)胞外基質(zhì)形成[27]。硅水凝膠隱形眼鏡在兒童近視方面也得到了廣泛應(yīng)用。

        隨著科技的進(jìn)步,更多新型的支架材料不斷問(wèn)世,比如具有導(dǎo)電性能的石墨烯材料支架、具有雙向磁性的納米支架、新型含銅金屬心血管支架材料等。制備支架的方法也在逐漸更新?lián)Q代,如靜電紡絲技術(shù)、冷凍干燥法、自組裝法等。研究者仍在進(jìn)一步增加材料的生物相容性,使其具備一定的穩(wěn)定性和可降解性,將分解產(chǎn)物對(duì)機(jī)體的毒害作用盡量減少,或開(kāi)發(fā)無(wú)毒產(chǎn)品。此外,還將研究重點(diǎn)放在提高種子細(xì)胞在支架材料內(nèi)的生物活性、創(chuàng)造種子細(xì)胞成活的微環(huán)境上。

        組織工程學(xué)最基本也最容易應(yīng)用于臨床的形式是細(xì)胞膜片工程學(xué),首先將細(xì)胞加工成膜片狀,然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行組織的構(gòu)建。細(xì)胞一旦成功分散到天然或合成支架上,就可以在體外保存或直接植入宿主體內(nèi)[28]。如果希望擴(kuò)大細(xì)胞群并調(diào)節(jié)支架,則需將支架保持在“生物反應(yīng)器”中,這是一種維持生理上有利環(huán)境(溫度、大氣、營(yíng)養(yǎng)介質(zhì)、機(jī)械力學(xué)等)的裝置,使種植在支架上的細(xì)胞增殖和分化達(dá)到最佳狀態(tài)。如循環(huán)應(yīng)力可以改善肌肉組織的力學(xué)性能,與行走速度相似的周期性壓縮可增強(qiáng)軟骨的合成,拉伸應(yīng)力在肌腱和韌帶的損傷工程中非常重要。組織工程心臟需要電起搏刺激細(xì)胞收縮,肺組織需要通風(fēng)系統(tǒng),使細(xì)胞能夠具備交換氧氣的能力[29]。

        組織工程室與在體血管預(yù)構(gòu)技術(shù)相結(jié)合是近年來(lái)的新興研究方向。組織工程室采用具有一定硬度的材料,在體內(nèi)隔離出一個(gè)相對(duì)封閉的空間,再向其內(nèi)放入種子細(xì)胞、支架材料或待培養(yǎng)組織,能夠顯著提高移植物存活率[30]。Morrison等[31]報(bào)道在患者體內(nèi)利用多孔穹隆狀的組織工程室成功進(jìn)行脂肪的體積擴(kuò)增,但大部分組織工程室的研究仍處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段,臨床應(yīng)用還有很多工作需要完成。

        3D打印技術(shù)是上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種快速成型技術(shù),由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通過(guò)成型設(shè)備,以材料逐層堆積的方式實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體成型[32]。通過(guò)3D生物打印技術(shù)制備出來(lái)的組織可顯示出良好的再生能力[33]。3D生物打印技術(shù)與干細(xì)胞的整合在組織工程領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大的潛力,利用3D生物打印技術(shù)打印出來(lái)的組織工程支架可在時(shí)間和空間上做到足夠精確,按需沉積不同種類(lèi)的細(xì)胞、材料、生長(zhǎng)因子等,構(gòu)造出來(lái)的組織可以與缺損組織的解剖結(jié)構(gòu)相匹配[34]。

        Lueders使用水凝膠和臍帶血干細(xì)胞打印出心臟瓣膜,生物性能良好[35]。O’Connell等[36]將甲基丙烯酸酯化明膠和甲基丙烯酸酯化透明質(zhì)酸作為基底材料, 混合脂肪干細(xì)胞,在軟骨損傷部位用生物打印筆進(jìn)行原位打印,紫外光照射固化,發(fā)現(xiàn)經(jīng)3D打印成型的干細(xì)胞存活率高,軟骨損傷修復(fù)快。Di Bella等[37]發(fā)明了一種手持式3D打印設(shè)備,用于一期修復(fù)綿羊股骨內(nèi)外側(cè)髁負(fù)重面全層軟骨缺損,均獲得成功,無(wú)并發(fā)癥。Kizawa等[38]應(yīng)用3D打印技術(shù)成功打印具有代謝功能的人類(lèi)肝臟組織。

        迄今為止,隨著生物墨水及相關(guān)材料的研發(fā),3D生物打印機(jī)已經(jīng)成功打印出了氣管、食管、皮膚、耳、腎臟、肝臟和血管等人體組織器官,并應(yīng)用于臨床。但目前仍只能打印靜態(tài)的組織,存在打印后細(xì)胞活力無(wú)法保證的問(wèn)題[39]。

        二、組織工程與修復(fù)重建在小兒外科應(yīng)用的局限及展望

        組織工程學(xué)的提出、建立和發(fā)展不但為修復(fù)、替代或再生缺損組織提出了更先進(jìn)的方法,而且可以緩解供區(qū)缺損和不足,同時(shí)減少住院的時(shí)間和費(fèi)用。因此,組織工程技術(shù)在修復(fù)重建外科領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。目前組織工程在兒童骨科、泌尿外科、普外科、神經(jīng)外科、心胸外科等領(lǐng)域已有大量臨床應(yīng)用實(shí)例。骨和軟骨組織工程用于修復(fù)骨和軟骨缺損技術(shù)已應(yīng)用于臨床。組織工程尿道用于尿道下裂修復(fù)也有臨床報(bào)道。組織工程自體角質(zhì)形成細(xì)胞薄片用于燒傷后表皮再生的研究已獲成功,并有相應(yīng)產(chǎn)品問(wèn)世。組織工程治療先天性心血管畸形、短腸綜合征、氣管置換、神經(jīng)損傷等均有少量病例研究,但還沒(méi)有廣泛臨床應(yīng)用。雖然組織工程與修復(fù)重建技術(shù)在小兒外科領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,但因?yàn)閮和砑靶和饪萍膊〔±淼奶厥庑?,仍面臨一系列具體的科學(xué)和技術(shù)層面的挑戰(zhàn)[5,13]。

        目前,組織工程和重建外科還不能完全做到解剖重建和功能重建,尚不能提供完整的組織和器官信息,供組織工程和重建外科參考,因此有必要構(gòu)建一套新的基礎(chǔ)科學(xué)理論體系,來(lái)整合所有關(guān)于組織和器官的解剖、生理、生化信息,表達(dá)組織或器官應(yīng)有的時(shí)間、空間等生物學(xué)特性。目前組織工程移植物和正常組織結(jié)構(gòu)還存在一定差距,不能完全具備正常組織的所有功能。移植物和受體的組織相容性以及移植物血管化、神經(jīng)支配、內(nèi)分泌等問(wèn)題仍有待解決[13]。所以需要進(jìn)一步研究基礎(chǔ)干細(xì)胞/發(fā)育生物學(xué)、材料科學(xué)、解剖學(xué)和外科技術(shù)之間的相互作用,選擇合適的細(xì)胞來(lái)源,更好地理解和控制生物過(guò)程(如干細(xì)胞/祖細(xì)胞的分離、擴(kuò)增和分化),通過(guò)3D生物打印等方式生成特定的形狀和三維結(jié)構(gòu),增強(qiáng)生物反應(yīng)器系統(tǒng)制造過(guò)程的穩(wěn)定性,保證移植物的可生長(zhǎng)性,促進(jìn)功能性植入。

        尤其需要指出的是,兒童疾病的生理和病理與成人大不相同。組織工程學(xué)中有些為成年人設(shè)計(jì)的治療方法并不適用于兒童。兒童所需種子細(xì)胞、生物因子的量仍處于摸索階段,這些治療方法的療效也并不確切[16]。由于兒童一直處于生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程之中,組織工程產(chǎn)生的組織需要考慮能否隨患兒生長(zhǎng)而生長(zhǎng),而激素的變化可能會(huì)對(duì)移植物產(chǎn)生影響,因此有必要開(kāi)展針對(duì)兒童先天性缺陷和疾病的動(dòng)物模型研究,提高對(duì)組織工程和重建外科的機(jī)制認(rèn)知,提高療效,減少并發(fā)癥的發(fā)生。

        此外,在組織工程和重建外科的應(yīng)用過(guò)程中,越來(lái)越多的倫理學(xué)問(wèn)題也逐漸凸顯,例如如何獲得胚胎和胎兒組織來(lái)源的干細(xì)胞以及安全性問(wèn)題,植入動(dòng)物來(lái)源的支架材料可能引發(fā)的不良反應(yīng),基因工程技術(shù)引入組織工程的安全性,組織工程和修復(fù)重建在胎兒應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)及費(fèi)效比等,都是需要患者和醫(yī)生密切關(guān)注的問(wèn)題[40]。

        近年來(lái),組織工程與修復(fù)重建在小兒外科領(lǐng)域已進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期,并將不斷深入。相信在不久的將來(lái),組織工程產(chǎn)品會(huì)在小兒外科組織器官的缺損修復(fù)重建過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用。同時(shí),隨著組織工程醫(yī)療產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、修復(fù)重建流程化及醫(yī)學(xué)倫理學(xué)研究的深入,相關(guān)的法律法規(guī)也將陸續(xù)出臺(tái),對(duì)其進(jìn)行規(guī)范,倫理道德方面的問(wèn)題也將迎刃而解。

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