组织工程肌腱种子细胞、支架材料和生长因子的研究进展

孙银凤 张国荣

【摘要】 组织工程肌腱作为肌腱损伤修复的重要方法，已成为研究热点。本文以“组织工程肌腱、种子细胞、支架材料、生长因子”为主题词，检索CNKI的相关文献。纳入具有原创性、论点论据可靠的实验文章，排除重复性研究，选择符合标准的40篇文献进行分析。对种子细胞的种类、支架材料的选择以及诱导肌腱形成因素进行阐述，促进每个关键点的优化，以利于组织工程肌腱的成熟构建。

【关键词】 组织工程肌腱； 种子细胞； 支架材料； 生长因子

【Abstract】 Tissue engineered tendon has become a key approach to repair tendon injury.Consequently，the study on it is gaining more and more popularity.“Tissue engineered tendon，seed cell，scaffold material， growth factor” are inputted as the Chinese search words in CNKI to retrieve relevant literature.On this basis，the original experimental articles， in which the arguments and opinions are reliable，that can be further analyzed amounts to 40.Surely，this number excludes the overlapping ones.Based on the types of seed cells，the selection of scaffold materials，as well as the elaboration to the factors that induce the forming of tendons，this research aims at promoting the optimization of each key point，which is conducive to the mature building of the tissue engineered tendons.

【Key words】 Tissue engineered tendon； Seed cells； Scaffold materials； Growth factor

First-authors address：The School of Clinical Medicine，Changchun University of Traditional Chinese Medicine，Changchun 130117，China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2018.04.039

肌腱位于肌肉與骨骼之间，起力的传导作用。肌腱内细胞、血管较少，含大量纵行排列的胶原纤维。肌腱损伤在临床属常见疾病，损伤后愈合较慢，很难恢复到正常肌腱一样的抗拉伸强度。传统移植治疗因存在移植物来源有限，免疫排斥等问题，修复效果不理想。组织工程肌腱为肌腱损伤修复提供了一种新方法，其是将种子细胞种植于支架材料上，体外培养后移植到缺损部位，随着支架材料的降解，细胞外基质的分泌，形成新的肌腱组织，达到生物意义上的完全修复。

1 种子细胞

1.1 自体肌腱细胞 肌腱细胞作为肌腱组织固有细胞，是人们首先想到的组织工程肌腱种子细胞。1971年，Jimenez等[1]成功在体外培养鸡胚腱细胞，此后，对肌腱细胞的研究逐渐深入。张兆锋等[2]体外培养成年家鸡肌腱细胞，种植于支架材料，回植于家鸡体内，培养出大体、组织学结构均与正常肌腱相似的组织。但肌腱细胞增殖能力较差，尤其是在体外培养环境下，经数次传代，细胞逐渐老化。杨志明等[3]发现类胰岛素生长因子（insulin-like growth factor-1，IGF-1）能加速肌腱细胞mRNA转录和蛋白质合成。肌腱细胞如能获得稳定的增殖能力则可以成为组织工程肌腱种子细胞。

1.2 间充质干细胞 间充质干细胞（Mesenchymal Stem Cells，MSCs）具有多向分化潜能，可以向骨、软骨、肌腱、脂肪等组织分化，其易扩增数量，可以多次传代并保持分化能力。Dressler等[4]取同一兔不同年龄时期的MSCs种植于Ⅰ型胶原支架，并回植于兔体内，结果显示所形成的肌腱样组织在组织学及力学性能方面都无明显差异，证明MSCs的增殖分化能力不受供体年龄限制。曲彦隆等[5]研究表明给予MSCs应力刺激能够加速细胞的生长繁殖。姜任武等[6]将培养的MSCs种植于生物材料上，将此复合物回植于跟腱缺损部位，8周后发现移植物与受体肌腱连接完好，不形成瘢痕。因此，MSCs可以作为组织工程肌腱的种子细胞。

1.3 皮肤成纤维细胞 皮肤成纤维细胞与肌腱细胞均起源于中胚层，它取材方便、扩增能力强，具备成为组织工程肌腱种子细胞的可能。有实验体外培养肌腱细胞与成纤维细胞，对它们的生物学特性进行对比分析。两种细胞未贴壁前均呈圆形，贴壁后呈梭形或多边形。贴壁后肌腱细胞群体大致趋于一致，成纤维细胞排列呈不规则状态[7]。董志宁等[8]实验发现，皮肤成纤维细胞能很好地贴附于支架材料生长，但在增殖过程中，排列紊乱，修复部位易出现骨化。肌腱细胞合成Ⅰ型胶原，成纤维细胞合成Ⅰ型和Ⅲ型胶原。如果能对成纤维细胞进行改造，使之成为组织工程肌腱的种子细胞，则能解决种子细胞来源不足的问题。

2 支架材料

2.1 天然高分子材料 天然高分子材料，主要有胶原、蚕丝和小肠黏膜下层（Small Intestinal Submucosa，SIS）。他们具有天然可降解性，一般都无毒，亲水性及细胞亲和性良好，但缺点是力学性能差、降解速度快、加工性能差[9]。

胶原由粗大的胶原纤维束平行排列而成，其方向与所受牵引力一致，具有良好的力学性能。胶原蛋白抗原性低、生物相容性好，可参与组织的愈合过程，是一种较理想的組织工程肌腱支架材料。

蚕丝具有独特的机械性能，其支链有生长和黏附因子，在医疗领域获得广泛应用。田旭等[10]以罗曼鸡的胚胎腱细胞和蚕丝构建组织工程肌腱，将其移植到肌腱缺损部位，在不同时间点做组织学、生物力学等检查，结果表明蚕丝对肌腱细胞吸附明显，生物相容性好，具备良好力学性能，可能会在肌腱损伤修复方面发挥巨大潜能。

小肠黏膜下层主要成分为细胞外基质，亲水性强，利于细胞从培养体系中摄取营养[11]。它对局部微环境具有应答性，能促进组织重建，是一种适合细胞迁移、生长和增殖的良好支架材料[12]。它还含有多种生长因子，如成纤维细胞生长因子-2（Fibroblast growth factor-2，FGF-2）。这些生长因子在促进种子细胞增殖、细胞外基质分泌和工程化组织塑形中发挥着重要作用。刘忠玉等[13]将培养的肌腱细胞接种在SIS上，形成细胞-支架复合物，并将其回植于肌腱缺损处，结果显示SIS具有良好的生物相容性。郭平等[14]实验证实小肠黏膜下层对肌腱细胞无毒，细胞黏附性良好，但抗拉强度较弱。孙文才等[15]利用猪小肠黏膜下层和罗曼鸡的鸡胚趾深屈肌肌腱细胞联合构建组织工程肌腱，并将其移植到成年罗曼鸡的肌腱缺损部位，植入后3、6、9周检测植入材料的最大拉伸强度优于单纯小肠黏膜下层。

2.2 人工合成高分子材料 目前，组织工程肌腱常用的人工合成高分子材料主要有聚乳酸（PLA）、聚羟基乙酸（PGA）、聚乳酸-聚羟基乙酸共聚物（PLGA）3种，它们的优点是来源广、易加工、可降解，缺点是细胞亲水性差，细胞附着力差等问题。

郭正等[16]对PGA和PLA进行体外降解和细胞接种实验，结果显示PGA适合细胞黏附和增殖，但降解速度较快；PLA降解速率较慢，但细胞不能在支架上较好黏附和增殖。因此，两者单独使用受到限制，要想满足细胞的增殖黏附和支架降解过程中的力学要求，可以将PGA与PLA共聚，得到机械性能好，柔韧性好，降解速度可控的组织工程肌腱支架。

2.3 复合材料 由于天然材料和人工合成材料均具有明显局限性，复合材料则可结合二者优势，改进材料性能。龙剑虹等[17]将MSCs接种于胶原-PGA复合材料上，在体外构建组织工程肌腱并观察细胞生长，发现细胞呈梭形，能适应材料伸展，沿支架材料大致平行排列。

3 生长因子

3.1 碱性成纤维细胞生长因子 碱性成纤维细胞生长因子（basic Fibroblast Growth Factor，bFGF）是重要的有丝分裂促进因子，肌腱愈合过程中bFGF能有效促进细胞增殖，诱导间充质干细胞向肌腱细胞定向分化[18]。Sahoo等[19]将bFGF与蚕丝支架复合，再与间充质干细胞进行复合培养，3周后观察到间充质干细胞增殖明显，生物力学性能明显优于未复合bFGF的对照组。研究发现bFGF对损伤肌腱的重塑及提高生物力学强度方面具有重要作用[20]。但它有加重肌腱粘连的倾向，可能与鞘内肌腱细胞的胶原分泌有关，具体机制尚在研究中[21]。

3.2 骨形态发生蛋白12 骨形态发生蛋白（Bone Morphogenetic Protein，BMP）是一组疏水性酸性蛋白，其中骨形态发生蛋白12（BMP-12）与骨形成无关，但具有诱导间充质干细胞向肌腱和韧带组织分化的能力。正常肌腱的腱鞘内膜及血管周围组织中均可检测到BMP-12。付文玉等[22]研究表明，肌腱损伤早期，BMP-12能促进缺损组织周围腱细胞增殖，胶原蛋白合成旺盛。蔡荣辉等[23]将培养的家兔MSCs经BMP-12诱导分化，接种至Ⅰ型胶原-PGA上，并回植于肌腱缺损处，发现经BMP-12处理的MSCs，细胞增殖明显加快，并向肌腱细胞分化，进一步证实了BMP-12可作为诱导干细胞向肌腱细胞分化的诱导因子。

3.3 转化生长因子β 转化生长因子β（Transforming Growth Factor β，TGFβ）是一组多功能蛋白多肽，含TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3，三者在肌腱韧带损伤修复中扮演不同角色。其中，TGF-β1在体内分布广泛，能有效促进损伤肌腱韧带的修复，是目前研究的热点。但TGF-β1是韧带平滑肌肌动蛋白ɑ（ɑ-SMA）分泌的信号分子，激活该信号通路能促进成纤维细胞分化，引起组织纤维化，瘢痕及粘连的形成[24]。有研究显示，肝细胞生长因子（Hepatocyte Growth Factor，HGF）能显著减少TGF-β1诱导的ɑ-SMA表达，可以防治肌腱损伤修复过程中的瘢痕粘连问题[25]。

组织工程是近年来迅速发展的一个崭新领域，经国内外学者的不断研究，取得了令人瞩目的成就。组织工程肌腱的发展，为临床肌腱损伤修复带来曙光，但目前仍存在许多问题。

种子细胞来源有限，如何实现大量稳定扩增；异体细胞如何减轻免疫排斥反应；细胞在支架材料上的黏附、增殖和分化；细胞增殖与支架材料降解同步化；天然材料力学强度差，合成材料降解过程中局部酸性产物蓄积；构造模拟人体的三维张力环境；如何适时、适量地运用生长因子，采用多种生长因子时如何发挥其协同作用等问题都有待进一步研究。

参考文献

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（收稿日期：2017-11-09） （本文编辑：周亚杰）