组织工程支架材料在膀胱修复中的应用进展

赵阳 张明 综述 王忠 卢慕峻 审校

肿瘤、结核、神经源性膀胱以及一些先天性膀胱疾病都可导致膀胱缺损，需进行修复重建。利用胃肠道替代膀胱是目前临床中最常用的方法，存在着诸多并发症，且会造成新的损伤。组织工程技术为膀胱修复与重建开辟了一条崭新的途径。近年来，利用组织工程技术进行膀胱修复重建的实验和临床研究逐年增加。

目前组织工程膀胱重建有两种方法：一种是利用单纯支架材料重建，另一种是种子细胞复合支架材料进行膀胱修复。目前的研究表明，后者在构建膀胱解剖结构、恢复膀胱功能方面要远远优于前者[1]。目前绝大部分膀胱组织工程重建实验都采用种子-细胞复合支架材料的重建方法。

支架材料的研究是组织工程膀胱修复重建的重要基础。近些年来，支架材料的研究发展迅速。理想的膀胱修复材料应具有以下性能：良好的生物相容性，可靠的机械性能，能抵抗腹膜内及腹膜外感染，不影响正常肾功能，具有良好的收缩能力，并通过神经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 天然细胞外基质

细胞外基质（Extracellular matricx，EMC）是由细胞自身合成并分泌到胞外，分布在细胞表面或细胞之间的大分子物质，主要含有胶原蛋白、纤维蛋白黏连素、层黏连蛋白等。目前，在泌尿系统中应用最多的是胶原（Collagen）。Engelhardt等[3]将人膀胱平滑肌细胞和上皮细胞分别种植在可塑压缩胶原支架内部和表面。结果发现，材料表面和内部出现了高效的细胞种植及细胞增殖，认为可塑压缩胶原支架具有组织工程膀胱修复的巨大潜能。

胶原本身无毒性，组织相容性好，还可刺激移植组织产生新的胶原，且降解产物也可被机体吸收。但其机械强度较差，在体内降解过快，不同批次制备的胶原生化性质也有着较大的差异，这些都限制了胶原支架材料的进一步应用。

1.2 脱细胞基质

脱细胞基质材料是利用同种或异种组织，通过机械和化学方法去除组织中的细胞、抗原等成分，仅保留细胞外基质（ECM）。具有多种天然细胞外成分，有利于细胞的黏附、增殖和分化，并具有一定的力学强度。目前在膀胱修复过程中应用较多的脱细胞基质材料，是膀胱黏膜下脱细胞基质（Bladder acellular matrix graft，BAMG）和小肠黏膜下脱细胞基质（Small intestinal submucosa，SIS）。

BAMG来源于膀胱组织，与人膀胱组织结构最接近，生物相容好，具有修复膀胱组织的独特优势，是较为理想的天然生物支架。卢慕峻等[9]发现，尿路上皮细胞、膀胱平滑肌细胞与BAMG体外构建，能够形成类似膀胱壁的结构。Liu等[10]通过体外实验比较不同组织来源的生物学性能，发现不同组织来源的细胞外基质材料都具有很好的生物相容性，而与其他细胞外基质相比，BAMG则表现出更好的吸水性、抗生物降解性、机械性能及干细胞吸附能力。Zhu等[11]用BAMG修补缺损不同的膀胱（A组30%～40%缺损，B组60%～70%缺损），24周后，发现A组膀胱容量达到原容量的95%左右；组织学上，尿路上皮和平滑肌细胞生长良好，规则分布，接近完全再生。而B组膀胱容量仅达到原容量的65%左右；组织学上，尿路上皮和平滑肌细胞生长不均，分布杂乱。由此可见，BAMG是修补膀胱缺损的良好支架材料，但并不适用于修补缺损较大的膀胱。

SIS是一种源于小肠的新型脱细胞基质材料，保留有天然的胶原纤维网状结构，并含有多种生长因子[4-5]。更为重要的是，SIS可以开启特定部分的组织重建，并指引周围细胞增殖、分化以及新血管的形成[6]。SIS的上述结构和特点，使其受到极大关注。韩平等[5]将膀胱平滑肌细胞种植在SIS上，发现SIS促进了膀胱平滑肌细胞黏附和增殖；进一步研究证实，这与小肠黏膜下层特殊的三维支架结构以及所含的生长因子有密切关系。而Kropp等[7]指出，并非所有的SIS材料都适用于膀胱重建，只有大于3岁母猪远段回肠的SIS才具有稳定可靠的组织再生能力。John等[8]发现，SIS在体内也会引起炎症反应。去细胞不完全的SIS材料可能引起严重的免疫反应。所以，优化SIS的制备方法，筛选出修复能力稳定可靠的SIS，是今后研究的重要方向。

1.3 羊膜

由羊膜上皮、基底膜及基质三部分组成。脱细胞羊膜富含胶原，无细胞毒性，具有较好的机械性能和低免疫原性，且来源广泛，易加工处理，无伦理学问题。Kazuyoshi等[12]使用脱细胞羊膜和小肠黏膜进行体外膀胱修复的比较，发现两者作为膀胱支架的作用基本相同，人羊膜上也生长出了足够的上皮细胞、逼尿肌纤维和神经纤维，形成了有功能的膀胱，表明脱细胞羊膜可以作为组织工程膀胱的替代修补材料。但羊膜存在感染潜在疾病的风险。

胶原、膀胱黏膜下脱细胞基质和小肠黏膜下脱细胞基质及羊膜等，作为天然的生物材料，具有与人体最接近的网架结构、活性因子和多种信号分子，因此易被人体组织识别，建立信号连接，引发自身修复机制，实现材料降解与组织器官再生同步化，显示出人工合成支架材料无可比拟的优势。但天然生物材料也存在一些问题[13]，如机械强度较差，无法规模化、标准化生产，在体内降解较快，易感染潜在疾病等，限制了它们的广泛应用。

2 人工合成高分子聚合材料

人工合成高分子聚合材料种类繁多，包括聚乳酸（PLA）、聚羟基乙酸（PGA）、聚己内酯（PCL）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、聚乳酸-己内酯共聚物（PLCL）、聚氨酯（PU）等。这些材料可根据不同需求，制备成不同形状与结构的三维支架，并精确地控制其机械性能、降解率、孔隙率和孔径。人工合成高分子聚合材料具有极好的应用前景。

卢慕峻等[14]将膀胱平滑肌细胞和尿路上皮细胞植入PGA支架中，在体外成功构建出类似复层膀胱壁的结构，认为PGA具有作为组织工程膀胱修复支架的可行性。Feng等[15]研究了PLGA和水性聚氨酯（WBPU）支架，并比较了膀胱平滑肌细胞（BSMc）在PLGA和WBPU上的黏附、增殖及BSMC-α-肌动蛋白的表达。结果显示，WBPU优于PLGA，认为WBPU材料是一种新的优良的组织工程膀胱修复支架。

人工合成高分子聚合材料，虽然得到了广泛的应用，但生物相容性差，生物活性低，缺少细胞外基质中的各种生物信号及功能基团，直接影响到种子细胞的黏附、分化。为改善人工合成材料的内部结构和表面特性，复合材料以及经修饰和改性等预处理的材料成为了当下研究的热点。

3 复合支架材料

复合支架材料是由两种或两种以上的材料优化组合而成。在组织工程膀胱修复中，由天然生物材料和人工合成材料组成的复合材料最为多见。天然生物材料具有较好的组织相容性，无毒，为细胞生长、黏附、分化提供了最接近于人体的微环境，但缺乏足够的力学强度，降解较快，无法规模化、标准化生产。而大部分人工合成材料都属于 “生物惰性材料”，生物活性弱，缺乏细胞识别位点，不能支持细胞在材料表面的黏附、增殖、分化，但却具有良好的力学特性，能大规模生产。天然生物材料和人工合成材料的复合，可弥补单一材料的缺点，能满足组织工程膀胱修复与重建的各种需求。

Stankus等[16]分别制备了可降解的聚（酯-聚氨酯）-尿素（PEUU）支架和猪ECM支架，并结合成UBM-PEUU复合支架。结果表明，与单纯PEUU相比，复合支架体外降解增加，并具有较强的细胞黏附、渗透、增殖能力；与单纯ECM支架相比，其机械强度和柔韧性都显著增加，并能诱导组织重塑，是一种较为理想的支架材料。Engelhardt等[17]将人类膀胱平滑肌和上皮细胞在胶原-PLAC复合支架上体外培养2周。结果表明，与单独PLAC相比，胶原-PLAC复合支架在体内炎症反应较少，表现出高效的细胞种植、增殖和良好的机械性能。

Atala等[18]将尿道上皮细胞和平滑肌细胞种植到单纯BAMG支架及胶原-PGA复合支架上。结果显示，与单纯BAMG支架组相比，胶原-PGA复合材料组膀胱功能获得持续改善，其平均最大膀胱容量、平均膀胱顺应性、平均膀胱漏尿点压、最大平均日间无尿漏间隔等方面均更具有优势。用胶原-PGA复合材料进行的膀胱重建术首次在临床试验中获得成功，显示了复合材料应用于膀胱修复的巨大潜力。

4 材料的预处理

已有的组织工程支架材料各有优缺点，为了更好地发挥支架材料的作用，针对材料进行预处理，以使其更符合组织构建的要求。

Liu等[19]把尿路上皮细胞和平滑肌细胞种植到经氧化处理过的猪膀胱脱细胞黏膜下层上，并植入体内。发现与未经处理的支架相比，经氧化处理过的支架孔隙率和孔径增大，拉伸强度增加，细胞的渗透能力也显著增强。Mondalek等[20]把透明质酸-聚乳酸-羟基乙酸共聚物纳米微粒 （HA-PLGA NPs）加入猪小肠黏膜下层（SIS）修饰后，发现其稳定了SIS的多孔结构，提高了表面的生物相容性和组织修复能力。与未修饰的SIS相比，其血管再生能力显著增强。另有研究表明，添加碱性成纤维生长因子以及网膜包裹预置等预处理也能显著增加修复部位的血管化，有效促进组织修复再生[21-22]。

经过预处理，可进一步优化这些支架材料，使其表现出一些新的性质，扩大了应用范围。

5 纳米材料

随着纳米生物技术的快速发展，纳米材料也开始应用于组织工程膀胱修复。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1～100 nm），或由它们作为基本单元构成的材料。纳米支架材料具有表面积/体积比大、孔径大、孔隙率高、扩散能力强等特点，能促进细胞黏附、迁徙和增殖。

纳米材料凭借着传统材料无可比拟的生物学性能，正成为最具发展潜力的支架材料。Miller等[23]发现，和普通PLGA支架相比，具有纳米结构的PLGA支架增加了对纤连蛋白和玻连蛋白的吸附，纳米支架上的细胞黏附和生长明显优于普通支架，认为纳米材料的结构可能有利于改善支架的生物相容性。Harrington等[24]将纳米级的缩氨酸涂在PGA支架上，经体外培养后发现，与单纯PGA支架相比，生长在纳米复合物上的BSM密度更大，说明纳米复合材料支架促进了BSM的生长、增殖。

利用组织工程技术进行膀胱的修复重建是一种理想的重建方法，而支架材料的选择极为重要，是研究的热点和难点。随着材料科学和其他相关学科的进一步发展，目前应用于膀胱组织工程构建的各种材料，将得到进一步的完善，从而使得组织工程膀胱构建能真正应用于临床。

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