骨组织工程的研究进展和面临的问题

周晓　盛小伍　曾勇

骨组织工程的研究进展和面临的问题

周晓盛小伍曾勇

【提要】骨缺损修复的移植物按其来源，可分为自体骨、同种异体骨、异种骨等，均存在自身的局限性。组织工程技术有望产生和人体骨类似的骨组织，解决目前骨缺损治疗的局限性。我们针对骨组织工程，就其临床研究进展以及亟待解决的问题进行综述。

组织工程生长因子支架细胞外基质

修复骨缺损的移植物，按其来源可分为自体骨、同种异体骨、异种骨等，但均存在各自的局限性。自体骨移植被认为是骨移植的金标准，因为自体骨组织相容性好、无免疫原性，且与人体骨生理功能相同。但是，自体骨必须从患者自身获取，患者需承受两次手术的痛苦[1]，且供区可能产生瘢痕、损伤、畸形甚或残障等，以及一系列的外科手术风险，如出血、炎症、感染、慢性疼痛等[2-4]。当骨缺损部位较大，需要大面积骨组织修复缺损的时候，自体骨移植并不可行。同种异体骨由于其存储大多经过了冷冻和干燥过程，通常情况下不含有细胞成分，并且存在传播感染的风险，与宿主骨组织的整合速度较慢，其来源也有限（来源于尸体），无法满足临床应用的需求。异种骨和同种异体骨具有相同的缺点，并且其结构、功能与人体组织不匹配，因此一般很少使用[5]。组织工程技术可构建与人体骨类似的骨组织，解决目前骨缺损治疗的局限性。组织工程的概念于上世纪80年代提出，是指通过体外培养或构建的方法，再造或修复组织及器官的技术。将由细胞、生物材料支架、生长因子三要素构建的复合物植入人体组织、器官的病损部位，作为细胞生长的生物材料支架逐渐被机体降解、吸收的同时，细胞不断增殖、分化，形成新的形态、功能与人体相应组织一致的组织，从而达到修复由创伤、疾病、老化等引起的组织缺损和重建组织功能的目的[6]。我们针对骨组织工程，就其临床研究进展以及亟待解决的问题进行综述。

1　骨组织工程技术的临床应用研究进展

有关骨组织工程临床应用研究的报道不多，主要是因为大面积组织工程骨不能血管化，阻碍了骨组织工程的发展。现有的报道大多集中于组织工程骨治疗小面积骨缺损。周晓等[7]应用人自体骨髓间充质干细胞作为种子细胞，构建组织工程骨，并修复3例下颌骨囊肿切除后下颌骨缺损，随访两年，临床疗效稳定，表明以自体hBMSC为种子细胞，利用组织工程技术，可以在人体内形成稳定的组织工程化骨组织，并能修复下颌骨缺损。Nagata等[8]运用自体骨膜细胞、微小自体骨和富含血小板的血浆，构建复合物，移植修复腭裂和兔唇患者的牙槽骨，术后骨再生情况良好，骨组织活检显示成骨细胞和破骨细胞更新良好，并提示有血管生成。Pradel等[9]比较组织工程骨和自体松质骨治疗腭裂患者的疗效差别，6个月后观察发现，组织工程骨移植组腭裂残留缺口的体积小于自体松质骨移植组，组织工程骨移植组40.9%的腭裂缺陷已经骨化，而自体松质骨移植组36.6%的腭裂缺陷完成骨化。2013年，Zam iri等[10]利用同种异体骨为支架，骨髓间充质干细胞为种子细胞修复3例下颌骨缺损，术后观察2年，效果满意。高振涛等[11]利用自体ASCs成骨诱导分化，接种于DBM支架材料，成功构建组织工程骨组织，修复下颌骨缺损，术后5月植入种植体，种植术后一年种植体与骨组织愈合良好。因此，我们认为组织工程骨具有良好的应用前景，完全有可能在骨缺损修复领域中获得广泛应用，并取得良好的疗效。

2　骨组织工程面临的问题

目前，组织工程骨应用受限，随面临的最大问题是无法快速地实现血管化，尤其是大面积组织工程骨不能血管化。已有大量的研究聚焦于促进组织工程骨的血管化，主要围绕生长因子、生物材料、共培养系统等三个方面。

2.1生长因子

在体骨生成牵涉到一系列生长因子和细胞因子的调控，血管再生和骨再生密切相关，为了诱导骨组织再生过程中的血管化，理想的骨组织工程技术应该同时运用一系列生长因子刺激诱导骨生成和血管生成。Solorio等[12]用明胶微粒包裹BMP-2，使之持续释放，从而诱导hBMSC成骨分化。TGF-β和BMP-7联合，可以促进在体骨生成[13]。BMP-7联合BMP-2可以抑制大鼠BMSC的增殖，并促进其成骨分化[14-15]。VEGF和其他生长因子协同作用，可以促进骨组织工程的血管化。Tomanek等[16]研究VEGF和bFGF在血管生成方面的作用，发现VEGF可以诱导无血管区产生新生血管，bFGF可以促进血管生成，但是这种现象持续时间短暂。Formiga等[17]研究发现，通过聚乳酸羟基乙酸共聚物（PLGA）微粒，持续释放VEGF，可以导致在体血管新生；但是，快速给予游离的VEGF，却不能导致血管形成。Richardson等[18]研究发现，持续给予VEGF和PDGF，相较于单独给予其中任何一种生长因子，具有更好的重建血管组织的能力。这些研究都表明，生长因子是促进组织工程骨血管化的一个很重要的因素，给予方式、浓度、剂量都必须达到最优化，否则都可能存在抑制骨组织和血管组织再生的可能。

2.2生物材料支架

支架给组织工程骨提供结构支持，组织工程骨支架材料主要包括金属、陶瓷、人工或者天然的高分子材料、复合材料等，每一种材料都有其优缺点。金属钛生物相容性良好，但是无法降解[19-20]；陶瓷的机械力学性能很低，在承受负荷的时候可能会破碎，不能用于修复大面积的骨缺损[21-23]。通常情况下，根据对细胞的接触、增殖、迁移、分化要求的不同，而采用不同性质的支架[24]。支架可以负载一些细胞生长因子，可以促进新生组织的血管生成[25-26]。

2.3共培养系统

在体骨生成是牵涉到骨再生和血管再生的一个非常复杂的过程，事实上血管再生是骨再生的前提[27]。为了促进组织工程骨的血管化，在促进骨生成的同时需要促进其血管化。因此，共培养系统具有重要意义。在生物材料支架上共培养骨髓来源的内皮细胞和成骨细胞，发现支架上出现了血管样结构[28]。诱导间充质干细胞分化为内皮细胞后，再共培养间充质干细胞和间充质干细胞来源的内皮细胞，可以促进骨生成过程中的血管化[29]。Villars等[30]研究发现，共培养间充质干细胞和内皮细胞，可以促进成骨细胞的增殖和组织工程骨的血管化。但是，上述方法包括其他的一些已知的方法，尚不能使组织工程骨产生稳定和成熟的血管系统，这是目前组织工程骨无法实验临床应用的最大的瓶颈问题，亟待研究解决。

3　展望

综上所述，组织工程科技术的运用已经取得了长足的进步，已有一些成功运用于临床的个案，除了临床应用组织工程技术修复骨缺损外，也有用于修复关节软骨[31]、气管和支气管[32-34]、膀胱损伤[35]等的报道。目前，组织工程技术还处于研究的初期，还存在很多的局限性。就骨组织工程而言，最大的问题是不能产生和人体自然骨组织一样良好并且稳定的血管组织，骨组织工程缺乏血管化是目前妨碍骨组织工程应用于临床的最大障碍。鉴于一些新兴技术正处于验证中，而且再生医学和组织工程技术是当前科学界研究的热点，相信在不久的将来这些困扰都会解决。近几年，整体器官去细胞化技术已获成功[36]，使得构建整个器官的支架也成为可能，并且这是由自然的细胞外基质构成的支架，可以提供生物信号以及保持组织的微结构，并且整个血管系统可以整合到宿主的循环系统，去细胞技术使得构建整体器官成为可能。因此，我们有理由相信，未来组织工程技术将会广泛运用于临床。

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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

国家卫生计生委临床重点专科（肿瘤科）建设项目子项目。

410013湖南省长沙市湖南省肿瘤医院。

周晓（E-mail：cccdon@sina.com）。

（2016年5月9日；

2016年5月28日）