组织工程在整形外科中的应用

组织工程在整形外科中的应用组织工程是应用工程学及生命科学原理和方法，研究哺乳动物正常组织或病理组织结构和功能的关系，开发对器官和组织功能有保存、维持、提高作用的生物学替代物的科学。组织工程的最终目标是实现组织的修复，其中主要是功能的修复，要实现这一目标，需要各种细胞的相互作用，整合各种类型的细胞片，已经证实对病历状态下的损伤起关键性作用。其原理是这些细胞片的整合，为细胞可以互相作用提供了一个平台，最终建立起器官，这项技术被称为细胞片工程，它使用了为实现体内、外理性组织重建，而制作的一个新的对温度敏感的智能化的培养皿，这项技术避免了组织工程使用生物可降解支架或单纯细胞悬液注射的种种限制，该技术已经用于各种组织的修复重建，包括眼睛表面、牙根模系带和补充膀胱等。现在组织工程的应用领域很广，与整形外科相关的领域有：骨组织工程、神经组织工程、肌肉组织工程、软骨组织工程、上皮组织工程、血管内皮组织工程、脂肪组织工程。在缺损组织的修复重建方面，有较大的应用前景，而且某些工程又是几个复合体，如乳房重建。组织工程技术已经在实验和临床方面应用于几种组织和器官。一、基础研究1.细胞外基质(ECM)人工合成细胞外基质是在体外对体内细胞生存环境各种物质进行主动和选择性的模拟，具有制备标准化和易于控制的优点。其中可吸收的聚合物PGA(polyglyccaticacid,聚羟基乙酸)及PLA(polylacticacid,聚乳酸)备受重视。PGA和PLA在体内被降解成小分子物质，其终产物为羟基乙酸和乳酸，参与体内物质代谢，使生物材料在体内引起的免疫反应和致癌作用降至最低限度。应用组织工程技术设计人工移植物的细胞支架时，应注意：①基质的表面化学特性和表面超微结构。维持细胞附着、生长及正常功能具有重大意义。②聚合物的多孔性(渗透性)及宏观容积。影响种植细胞的养份运输。③形态。对维持软骨类组织的正常结构、功能尤其重要。④植入区的选择。植入区将受到移植物的影响，可成活的血管供应将决定移植物的大小。三维结构的多微孔支架可精确模仿实际组织结构，提供持续释放的营养物质和生长因子。种植不同的哺乳动物细胞后可在动物体内产生不同的组织结构。可利用CO2热力学不稳定特性，在不同压力下使聚合物充满约100μm的大孔；或应用热硬化分层技术制成三维具有精确解剖学形态的泡沫，使细胞在其上再生和重建后具有近似的形态框架。还可用氯仿溶解的PLA、PGA混合雾化溶液喷洒在PGA网上以增加其抗压强度。用PGA/HA(羟磷灰石)作为基质种植成骨细胞后，随着成骨细胞的分化与增殖，PGA/HA矿物化，形成β-甘油磷酸盐，提高复合物的强度。2.细胞培养技术随着生物工程学从器官、组织水平发展到细胞水平，特定类型细胞与培养基质形成一个动态的、相互作用的生理单元。从单细胞培养到复杂的多细胞培养均需要工程技术。一系列新技术的应用，使细胞培养日趋完善：用双极电泳技术控制细胞生成的量及其稳定性；用DNA指纹法对细胞进行数量控制并从较广的范围检测是否有交叉的细胞系污染；用分层泡沫大大降低细胞可能受到的损害；优化的培养介质不仅提供底物营养，而且去除抑制因素和毒废代谢产物。单细胞及复合细胞可通过培养提高其浓度，以满足组织工程对细胞来源的需要。二、临床相关研究1.人工皮组织工程的出现，使由自体表皮细胞、生物可降解聚合物和诸多生长因子所形成的皮肤替代物成为可能。皮肤模型的研究表明，包含代谢活性的成纤维细胞的皮肤替代物可更好地促进伤口愈合和血管化的形成。完整的基底膜在移植6周后产生，它包括固定的纤维组织、色素细胞及角蛋白。运用角质复层培养技术在人类Ⅰ、Ⅱ型胶原纤维上培养的皮肤替代物可承受极大的张力。由表皮附加真皮层的双层皮片在移植后成活良好，加快了创面愈合，并增强了皮片的耐磨性。用培养的自体皮片可使烧伤病人得到有效的治疗，其局限性在于培养时间往往超出了病人的手术期限。Rouabhic等应用异种基因-复合基因技术培养的表皮，移植到动物模型后表现出正常的组织学类型，与同时移植的同基因移植物的组织学形态相似。2.人工血管在人工血管和带血管移植物的研究方面，现已有小管径的血管替代物模型，其基质可被吻接生长的血管内膜吸收和代替。一种新的内皮细胞受体，肽序列为Arg-Gla-Asp-Val(REDV)，可选择性地使内皮细胞附着并扩展，而对成纤维细胞、血管平滑肌细胞和血小板则无此作用，因而可以抑制血栓的形成，并发现周围血管内皮细胞种植物对损伤的血管有调节作用。血管内皮细胞种植于明胶海棉基质后，继续保持其正常的生长动力、免疫及生物学活性。在硫酸酯蛋白产生的量及对纤维生长因子的抑制作用方面同正常内皮细胞没有区别。将其植入兔颈动脉损伤模型，可减少88%的内膜增生，效果较单独使用肝素更好。3.周围神经为克服自体神经取材受限和异体神经的排斥反应，采用人工合成的神经导管，取自坐骨神经的雪旺氏细胞，促进了周围神经的再生。结果表明，不仅可防止再生的神经受到瘢痕组织的浸润，还可帮助新生的轴突长向目标组织。缓慢释放纤维生长因子的导管还可使受损的神经生长通过一个较长的间隙。这种导管由聚合物如胶原、硫酸软骨素B和某些人工合成聚合物构成。还有用水凝胶制成的三维神经培养基质，其理化特性可使轴突从原始神经细胞沿三维空间扩展，为神经培养和再生提供新的研究方法。4.骨和软骨自体骨移植及人工假体移植受到取材受限、同周围组织固定失败以及不能适应周围组织张力的困扰。利用组织工程可对人工骨作出合理设计以得到形态、强度、功能适宜的新骨，满足不同修复手术的需要。将PGA编成多孔结构，软骨细胞在体外37℃培养8周后，软骨组织、蛋白多糖和胶原按PGA支架的形状生长并逐渐沉积，支架则自行降解，所得新生骨的生物力学特性及形态特性近似正常软骨组织。多孔结构可使营养成份渗透到这种“组织”中，形成比较坚固、厚度适宜的植入物。为了使新生软骨具备所需的形态、厚度和质量，可通过改变种植细胞的浓度以控制软骨的生长，并发现软骨细胞在凹陷结构内被嗜碱性基质所包绕。对PGA无编织网支架的研究表明，无细胞种植的支架在体外培养2～3周内丧失其力学强度及结构完整性。Chu等将带软骨膜的软骨细胞种植在多孔的三维PLA上，成活后植到兔的关节软骨缺损区。半年后的检测结果表明，新生软骨同周围正常关节软骨极为近似。Puelacher用多孔的无编织PGA网制成三维鼻中隔软骨支架，种植牛软骨细胞后移植于裸鼠皮下，形成的新软骨大小、形态同原先的设计完全一致，组织学检查显示新生软骨为透明软骨。用同样方法制成的下颌关节片，不仅有适宜的内在稳定性，而且有新生软骨的生长，该复合物抗变形的能力同正常软骨极其相似，这是用聚合物支架修复骨缺损的首例报道。Vacanti用圆柱形的软骨置换小鼠颈部气管较大的环形缺损，将软骨种植于圆柱形无编织网上，植入裸鼠体内4周后取出，在其内侧面植入剥离的肠粘膜作为衬里，可承受200mmHg压力而不塌陷，试验动物在接受气管置换术后成活，自发呼吸无明显限制。将来，聚合物材料很可能会出现很多问题，明智的做法是限制聚合物的使用，谨慎选用那些可将免疫反应及致癌性降至最低限度的复合种植物。随着组织工程和基因工程技术的发展，生物工程将从器官组织水平发展到亚细胞水平，为生命医学的变革奠定基石。