软骨组织工程中细胞外基质的研究

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中国临床康复第10卷第29期2006-08-10出版

ChineseJournalofClinicalRehabilitation,August102006Vol.10No.29

・综述・

软骨组织工程中细胞外基质的研究★

艳,张西正

分泌软骨基质并受骨修复等方面起着非常重要的作用,软骨细胞合成、

软骨基质的调控。重建软骨组织就必须考虑软骨细胞及其周围环境的相互作用。

促进软骨复原,研究软骨细胞和其周围环境结论:重建关节软骨基质、

之间的相互作用是关键。

主题词:组织工程;软骨细胞;细胞外基质;支架

解放军军事医学科学院卫生装备研究所,天津市300161

毛艳★,女,1980年生,辽宁省大连市人,汉族,解放军军事医学科学院在读硕士,主要从事软骨组织工程中力学因素影响方面的研究。

中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:1671-5926(2006)29-0152-04收稿日期2006-01-06修回日期:2006-02-17(05-50-12-9769/S・S)

Extracellularmatrixincartilagetissueengineering

MaoYan,ZhangXi-zheng

InstituteofMedicalEquipment,AcademyofMilitaryMedicalSciencesofChinesePLA,Tianjin300161,China

sdegree,InstituteofMedicalEquipment,MaoYan★,Studyingformaster’

AcademyofMilitaryMedicalSciencesofChinesePLA,Tianjin300161,China

Received:2006-01-06

Accepted:2006-02-17

0引言

正常关节软骨是一种具有很强耐受力且结构单

一的组织,其功能主要由基质特性提供。软骨细胞合成和分泌包括胶原蛋白及糖胺多糖在内的多种基质成分,同时也合成多种基质降解酶。软骨细胞在对细胞外基质的形成起着重要调节作用的同时,其功能也受到细胞外基质的严格控制。所以临床上要想达到重建关节软骨基质的目的,就必须研究软骨细胞和其周围环境之间的相互作用。本文应用计算机检索Medline

Abstract

OBJECTIVE:Toanalyzetheinteractionamongchondrocytes,extracellular

matrixandgrowthfactors,andthedevelopmentofthesubstituteofextra-cellularmatrixincartilagetissueengineering.

DATASOURCES:Acomputer-basedsearchofMedlinedatabasewasun-dertakentoidentifyarticlesaboutextracellularmatrixofcartilagepub-lishedinEnglishbetweenJanuary1995andDecember2005byusingthekeywordsof“cartilage;extracellularmatrix”.

STUDYSELECTION:Theliteraturesaboutcartilagetissueengineeringwereselected,andthenthefulltextsweresearchedfor.Inclusivecriteria:①Theextracellularmatrixofcartilageanditsreceptor.②reconstructionofcartilagetissuerelatedgrowthfactors.③Thesubstituteofextracellularma-trixincartilagetissueengineering.Exclusivecriteria:Reviews,repetitivestudiesorMetaanalyticalpapers.

DATAEXTRACTION:Totally1179articlesaboutcartilagetissueengi-neeringandextracellularmatrixwerecollected,36accordedwiththein-clusivecriteria.

DATASYNTHESIS:Thecartilageitselflacksabloodsupplytosupportrepairandremodeling.Becauseofthelimitedcapacityforspontaneousre-pair,minorinjurytoarticularcartilagemayleadtoprogressivedamageanddegeneration.Thecartilageextracellularmatrix(ECM)playsanimportantroleincartilagehomeostasisandrepair.Chondrocytesynthesizesandse-cretesECMandis,inturn,regulatedbyECM.Therefore,interactionbe-tweenthechondrocytesandtheirsurroundingsshouldbetakenintoac-countinreconstructionofcartilagetissue.

CONCLUSION:StudyontheinteractionbetweenchondrocytesandtheirsurroundingsisthekeytoreconstructEMCandpromotecartilagerecovery.

MaoY,ZhangXZ.Extracellularmatrixincartilagetissueengineering.ZhongguoLinchuangKangfu2006>10(29):152-5(China)

毛艳,张西正.软骨组织工程中细胞外基质的研究[J].中国临床康复,2006,10(29):152-5[www.zglckf.com]

1995-01/2005-12相关软骨组织工程的文献,对软骨

细胞外基质及其受体、软骨组织重建相关生长因子、软骨细胞外基质替代物的研究进展进行讨论。

1软骨细胞外基质的成分

细胞外基质是指存在于细胞间的大分子物质,由细胞分泌并存在于机体的所有器官及组织。软骨基质由丰富的蛋白多糖及胶原纤维组成,是软骨细胞间的填充,更是软骨组织的支架。软骨基质通过细胞膜上的细胞外基质受体与软骨细胞相联系,在软骨细胞的增值、迁移、细胞间信号的传递甚至组织工程软骨的力学响应方面都起着重要作用。

1.1

胶原蛋白

关节软骨的胶原以Ⅱ型胶原蛋白为主,

占软骨胶原总量的90%~95%,是软骨细胞的特征性表型。Ⅱ型胶原在软骨内交织成三维网状,被聚合型蛋白多糖缠绕,起到固定蛋白多糖的作用,同时也结合一些水和阳离子,为关节软骨提供抗张强度。Ⅸ型胶原分布于Ⅱ型胶原表面,与Ⅱ型胶原纤维网的稳定性有关。Ⅹ型胶原主要存在于软骨细胞肥大区域,可能与钙化有关。Ⅵ型胶原在软骨细胞附近较多,能与多种细胞外基质成分作用,具有细胞锚定和信号传递的作用[1]。关节软骨内尚有少量的非胶原蛋白,如软骨连接蛋白,其功能是促进软骨细胞表面与Ⅱ型胶原纤维黏着。

摘要

目的:分析软骨组织工程中软骨细胞、软骨基质、生长因子之间的相互作用及细胞外基质替代物的开发。

资料来源:应用计算机检索Medline1995-01/2005-12有关软骨组织工程中软骨细胞外基质的文章,检索词为“cartilage;extracellularmatrix”,并限定文章语言种类为English。

资料选择:对资料进行审阅,选取包括软骨组织工程的文章,并查阅全文。纳入标准:①软骨细胞外基质及其受体。②软骨组织重建相关生长因子。③软骨细胞外基质替代物。排除标准:Meta分析、综述文献、重复研究。

资料提炼:共收集到1179篇关于组织工程软骨及细胞外基质的文献,纳入符合标准的文献29篇。

资料综合:软骨组织无血管,其自我修复及重建能力有限,较小的创伤就会造成严重的软骨损伤及变性。软骨基质在软骨自身动态平衡及软

1.2

蛋白多糖

软骨中的蛋白多糖由透明质酸、蛋白多

糖单体以及连接蛋白共同组成,是一种结构庞大的聚集体。长短不一的蛋白多糖单体以非共价键垂直连接在透明质酸垂直链上,连接蛋白进一步加固两者间的

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毛艳,等.软骨组织工程中细胞外基质的研究

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结合。蛋白多糖具有伸展的结构,使其在组织中占据较大空间,并结合了大量水分子。呈非溶解状态的胶原纤维则具有较大的刚性,作为支架使软骨呈一定的形状,透明质酸将游离的蛋白多糖单体固定于胶原纤维网之间,由于蛋白多糖浓度很高,在胶原骨架之间形成了水合性极强的黏稠胶体,使软骨坚硬而富于弹性。

区与细胞骨架相关蛋白以及多种信号分子(如黏着斑激酶)结合。除了传递力学信号,整合素在力学因素的刺激下还可影响细胞内多种信号分子的活动。对软骨细胞施加力学刺激后,蛋白激酶C向细胞膜转位并与其活化受体及β1整合素结合。如果对此过程中的β1整合素进行阻断,就可以抑制此反应。蛋白激酶受体可能决定酶底物的特异性,因此整合素可以调控蛋白激酶C的功能[6]。Lahiji等[7]对体外培养的软骨细胞施加

1.3

其他成分

除组织液以外,软骨基质中还存在一些

非胶原成分,如软骨寡聚基质蛋白。有证据表明软骨寡聚基质蛋白在细胞外基质的装配过程中起着非常重要的作用[2],被认为具有关节软骨细胞相对特异性。纤连蛋白也是近年来研究的热点之一。其沉积于一系列的细胞外基质,是最早发现的具有促进细胞黏附作用的物质,其通过整合素家族与细胞外基质的结合而附着,并可以通过其亚单位上的结合域结合于细胞外基质其他成分。在软骨组织工程中,纤连蛋白可以引起细胞骨架组成及排列发生改变,显著促进细胞的黏附及铺展,从而使细胞的生长速度加快。

24h周期性的牵张力后发现Ⅱ型胶原表达上调,并且作

为其受体的α2整合素与之同步上调,而α5整合素则只

有较小的变化,说明基质成分的变化能够影响其受体的表达,二者具有一定的协同性。但是关于整合素与力学信号转导确切的信号途径以及各种整合素功能的差异均无定论,尚需要更深入的研究。

3关节软骨基质和生长因子

细胞外基质对细胞行为的调节不仅通过黏附整和

素或其他细胞外基质受体向基质内的细胞提供信号,还通过对可溶性介质进行黏附、存储、释放、表达等一系列过程来实现。生长因子对软骨细胞的有丝分裂、

2软骨细胞外基质的受体

在软骨细胞的增殖、分化以及自身的平衡的过程中,细胞外基质提供了重要的信号。软骨细胞及软骨基质的相互作用在一定程度上由其分子受体家族介导,该受体家族称为整合素。

DNA合成有重要影响,可以促进细胞外基质的合成并

抑制其降解,从而使细胞处于最佳的表型。目前,多种生长因子已经被证实在软骨组织工程中起着非常重要的作用。

2.1

整合素

整合素是介导细胞与细胞外基质黏附作

用的主要因子,由α亚单位和β亚单位通过共价键连接形成异二聚体跨膜糖蛋白,不同的αβ二聚体识别相同或不同的配体(包括纤维连接蛋白、层粘连蛋白、胶原蛋白等)。在软骨细胞中,整合素不仅存在于细胞膜,细胞外基质自身也含有整和素[3]。通过荧光显微镜、电子显微镜以及免疫沉淀反应的方法已经在软骨基质中发现了β1,α1,α5β1,其中以纤维连接素受体α5β1含量最大。这些整和素在形成和构建软骨细胞基质方面起着重要的作用。种植在胶原支架上的软骨细胞,只有在含α1β1,α2β1,α10β1整和素的情况下细胞才可能存活[4]。软骨细胞通过αVβ3和骨桥蛋白相互作用还可以使关节软骨免受白细胞介素1的损伤[5]。

3.1

转化生长因子β

转化生长因子β在关节软骨中含

量丰富,是已知的在软骨形成的初级阶段起重要作用的生长因子,它不但可以促进包括Ⅱ型胶原在内的软骨基质的分泌[8],还可以诱导间充质干细胞向软骨细胞分化[9],并对生长于无血清培养基中的细胞存活起到非常重要的作用[10]。研究表明,培养于海藻酸盐中的牛关节软骨细胞在添加了转化生长因子β后,细胞的增殖及蛋白多糖的合成都明显增加[11]。Ⅱ型胶原本身也影响转化生长因子β对细胞的作用,正常的Ⅱ型胶原可以增强软骨细胞对其的响应,热失活的Ⅱ型胶原则没有此作用[12]。在细胞培养时加入Ⅱ型胶原,转化生长因子

2.2

整合素与力学信号传导

软骨组织处于复杂的力学

β的表达也会增加[13],说明类似蛋白聚糖及Ⅱ型胶原这样典型的细胞外基质分子可以影响转化生长因子β对

软骨细胞行为的作用。

环境中,力学因素的刺激对维持软骨细胞正常功能及形态有重要的影响,适当的应力可以促进软骨适应性的生长及重建。软骨细胞可以感受外在的应力刺激并将其转化为胞内信号,从而改变细胞外基质成分,影响细胞各种生理活动,使软骨适应外在的负荷变化。软骨组织工程就是要在体外模拟正常软骨的生长环境及在体软骨所受的力学影响,最大程度的重现生理状态下的各种复杂因素。

整合素对于力学信号的传入及转化有着重要作用,其细胞膜外区介导细胞与细胞外基质的结合;胞浆

3.2

胰岛素样生长因子1

胰岛素样生长因子1被认为

是正常软骨合成代谢的主要生长因子[14],通过与其黏附蛋白相互作用来调整其生物学功能。胰岛素样生长因子1在软骨的合成代谢方面具有特殊的作用,能促进蛋白合成、刺激细胞生长,可以缩短软骨细胞培养周期,还可以在有效的的浓度下促进软骨细胞表型的表达,使软骨细胞分泌正常的蛋白多糖及Ⅱ型胶原。在纤维蛋白中加入胰岛素样生长因子1可以促进马软骨细胞外基质中蛋白多糖的合成[15]。软骨细胞-纤维蛋白的

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填充物中加入胰岛素样生长因子1可以促进组织缺损处的软骨形成,并促进新形成的软骨组织与周围组织的愈合[16]。

行必要的预湿;其次,它们是非天然生物材料,缺乏有利于细胞黏附的序列结构;再次,其产物为有机酸,在体内植入后会导致周围组织pH值降低从而引发炎症。胶原和蛋白多糖是正常软骨细胞外基质中的主要成分,胶原-糖胺多糖共聚物比单纯胶原具有更好的弹性,并因其较PGA等聚合物具有更好的生物相容性及更低的免疫排斥性、可降解、产物无毒性等优点已经被作为支架材料应用于人工皮肤的移植

[27]

3.3

骨形态发生蛋白

骨形态发生蛋白主要来源于成骨

细胞,是公认的骨修复中最重要的诱导分化因子,已广泛应用于骨组织工程中。近年来人们发现它能诱导组织中的间充质细胞增殖分化为软骨细胞,继而形成软骨组织。骨形态发生蛋白2在N-末端含有一个肝磷脂黏附位点[17],可以通过与软骨的Ⅱ型胶原黏附而起作用[18]。Kramer等[19]的研究表明,鼠的胚胎干细胞可以在骨形态发生蛋白2、骨形态发生蛋白4的诱导下定向分化为软骨细胞。在人关节软骨的修复中,骨形态发生蛋白2和骨形态发生蛋白9还可以促进人间充质干细胞分化为软骨细胞表型[20],而骨形态发生蛋白7比胰岛素样生长因子1更能促进蛋白多糖的合成[21]。

。受此启发,

Chang等[28]选择凝胶-硫酸软骨素-透明质酸共聚物来

模拟正常软骨的细胞外基质,实验发现,当将细胞与支架材料复合并置于旋转瓶中培养时,软骨细胞可以在支架中均匀的分布并分泌新的细胞外基质以维持其表型。这说明凝胶-硫酸软骨素-透明质酸共聚物不但具有良好的生物相容性还可以为细胞提供黏附基础,同时也可以满足软骨组织工程中对支架材料的力学要求。这使作者确信其完全有可能取代人工合成的共聚物而成为软骨组织工程中的理想支架材料。另外,糖胺多糖类似物脱乙酰壳聚糖也成为近年的一个研究热点。脱乙酰壳聚糖是在自然界中广泛存在的天然多聚物壳聚糖的衍生物,它最突出的优良特性之一是能够形成不同结构的高孔隙率材料。Lu等[29]实验表明脱乙酰壳聚糖可能对关节软骨的损伤后修复有益,脱乙酰壳聚糖支架可以较长时间维持软骨种子细胞与支架的黏附并保持其形态学特征。

软骨组织工程是一种修复软骨损伤的可行方法,寻找一种合适的支架材料至关重要。软骨组织工程中新型支架材料的完善不但可以为细胞黏附提供正确的三维空间及物理刺激,还可以为细胞的生长提供足够的化学信号。如果在细胞黏附初期,组织工程的支架材料不能为细胞提供这些来自细胞外基质及生长因子的信号,软骨的重建将不可能实现。而随着软骨修复的进行,软骨细胞自身将产生必要的信号来维持自身平衡并实现软骨的进一步重建。

3.4

碱性成纤维细胞生长因子

碱性成纤维细胞生长因子

由软骨细胞及其前体细胞分泌,对软骨的修复起重要调作用,可以促进软骨细胞增殖并使增殖细胞稳定地向成熟软骨细胞分化。Arevalo-Silva等[22]用含10μg/L碱性成纤维细胞生长因子的培养液培养原代软骨细胞

3周后发现,第1代细胞的数量为对照组的两倍多,并

具有很好的体内成软骨能力。在将细胞转移到三维聚合支架材料之前添加碱性成纤维细胞生长因子,可以使去分化的细胞重新恢复软骨细胞表型[23]。

4细胞外基质替代物的开发及应用

由于细胞外基质是细胞附着的基本框架和代谢场所,所以它的形态及功能就直接影响其所构成组织的形态及功能。支架材料作为细胞与生长因子的传递系统可以为复合的细胞提供初期的结构支持,并在细胞生长及分泌自身的基质的过程中逐渐降解,起到细胞外基质替代物的作用。

目前,有许多天然或人工合成的支架材料已经被应用于软骨组织工程中,其中研究最多的传统材料为这些聚合物易于PGA和PLA或二者的共聚物PLGA[24]。

种植细胞并可以纤维或海绵状的形式被植入组织缺损部位。其中PLG还可以形成微球,并以其小型球状体的状态将缓冲液、生长因子及其他蛋白封包在其中以达到控制其释放的目的[25]。以PLG微球体-软骨细胞系统通过铸模可以在体外形成软骨组织,而体外培养的软骨样组织与同样应用PLG微球体经过在体培养所获得软骨组织具有相似的特点[26],这表明PLG微球作为支架物在软骨组织形成和发育过程中起到持续而特殊的作用。

尽管上述传统聚合物材料已经在软骨组织工程中应用并取得了初步的进展,但都有其缺陷性。首先,它们是非亲水物质,其疏水性使其在细胞种植之前要进

763452

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水胶体类敷料和理疗方法在慢性损伤性下肢溃疡中的应用

彤,张慈凤(广州医学院第二附属医院康复科,广东省广州市

1对象和方法

设计:随机对照实验。

单位:广州医学院第二附属医院康复科。

对象:选择2003-03/2005-09到广州医学院第二附属医院

510260)康复科就诊的慢性损伤性下肢溃疡患者32例,其中大腿前侧3例,小腿胫前10例,小腿外侧6例,踝部8例,足部5例。病因为

观察物理因子与水胶体类敷料结合促进下肢溃疡

观察对象为2003-03/2005-09到

烧伤、擦伤、硬物撞伤、摩托车碾挫伤等。纳入标准:①临床诊断为慢性损伤性下肢溃疡。②年龄>45岁。③病程>30d。④溃疡面无健康肉芽生长,不深及肌腱及以下组织。⑤停用抗菌素及与创面愈合有关的其他药物。⑥自愿接受治疗。排除标准:①全身肺、肝/肾功营养不良。②糖尿病,下肢静脉炎,下肢脉管炎,心、能不全或恶性肿瘤等。③创面内有体外异物残留。

根据预实验中,对照组与实验组平均愈合时间相差7.7d,标准差6.7,α采用随机数=0.05,确定所需观察例数为32例。字表法将患者随机分组为对照组:物理因子治疗和外科常规处理;实验组:综合应用水胶体类敷料、物理因子治疗和外科常规处理。每组各16例。对照组:男12例,女4例;年龄(57±10)岁;病程(42±7)d;溃疡面积(6.02±1.14)cm2。实验组:男10例,女6例;年龄(58±9)岁;病程(39.0±5.8)d;溃疡面积

摘要:目的

愈合的效果和优越性。方法

广州医学院第二附属医院康复科就诊的慢性损伤性下肢溃疡患者,患者知情同意,根据预实验结果确定观察例数为32例。采用随机数字表法将患者随机分为实验组和对照组,每组各16例。对照组:理疗和外科常规处理。实验组:综合应用水胶体类敷料(康惠尔系列)、理疗和外科常规处理。理疗方法包括漩涡浴、紫外线/红外线照射和超短波电疗。水胶体类敷料包括清创康惠尔粉剂(以下称溃疡粉)胶、康惠尔糊剂(以下称溃疡糊)、和溃疡贴。专人肉眼观察分别记录首次出现健康肉芽的时间和溃疡面完全上皮化(简称愈合)的时间。结果

①实验组新鲜肉

芽出现时间短于对照组[实验组为(1.8±0.7)d,对照组为(3.5

±1.1)d,P<0.01)。②实验组溃疡愈合时间短于对照组[实验组

为(15.4±4.8)d,对照组为(22.9±5.4)d,P<0.01]。结论主题词:溃疡;下肢;物理疗法;随机对照试验$封闭敷料

综合应

用理疗和水胶体类敷料能促进慢性损伤性下肢溃疡的愈合。

(6.22±1.64)cm2。

设计、实施、评估者:第一作者设计实验和确定治疗方法,第二作者实施治疗,同一指标由同一人观察评估。

方法:

物理因子治疗仪器包括手提式紫外线治疗机、超短波治疗外用材料采用机、红外线治疗仪和MIDLAND下肢漩涡水疗机。丹麦康乐保中国有限公司的康惠尔水胶体类敷料系列,包括清创胶、溃疡糊、溃疡粉和溃疡贴。

0引言

临床工作中会遇到一些外伤所致的下肢创面,由于各种原

因,虽然采用常规外科清缝和更换敷料,仍然迁延不愈。本实验将物理因子治疗和水胶体类敷料结合应用到慢性损伤性下肢溃疡的治疗中,观察和探讨其促进溃疡愈合的作用和优越性。

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中国临床康复第10卷第29期2006-08-10出版

ChineseJournalofClinicalRehabilitation,August102006Vol.10No.29

・综述・

软骨组织工程中细胞外基质的研究★

艳,张西正

分泌软骨基质并受骨修复等方面起着非常重要的作用,软骨细胞合成、

软骨基质的调控。重建软骨组织就必须考虑软骨细胞及其周围环境的相互作用。

促进软骨复原,研究软骨细胞和其周围环境结论:重建关节软骨基质、

之间的相互作用是关键。

主题词:组织工程;软骨细胞;细胞外基质;支架

解放军军事医学科学院卫生装备研究所,天津市300161

毛艳★,女,1980年生,辽宁省大连市人,汉族,解放军军事医学科学院在读硕士,主要从事软骨组织工程中力学因素影响方面的研究。

中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:1671-5926(2006)29-0152-04收稿日期2006-01-06修回日期:2006-02-17(05-50-12-9769/S・S)

Extracellularmatrixincartilagetissueengineering

MaoYan,ZhangXi-zheng

InstituteofMedicalEquipment,AcademyofMilitaryMedicalSciencesofChinesePLA,Tianjin300161,China

sdegree,InstituteofMedicalEquipment,MaoYan★,Studyingformaster’

AcademyofMilitaryMedicalSciencesofChinesePLA,Tianjin300161,China

Received:2006-01-06

Accepted:2006-02-17

0引言

正常关节软骨是一种具有很强耐受力且结构单

一的组织,其功能主要由基质特性提供。软骨细胞合成和分泌包括胶原蛋白及糖胺多糖在内的多种基质成分,同时也合成多种基质降解酶。软骨细胞在对细胞外基质的形成起着重要调节作用的同时,其功能也受到细胞外基质的严格控制。所以临床上要想达到重建关节软骨基质的目的,就必须研究软骨细胞和其周围环境之间的相互作用。本文应用计算机检索Medline

Abstract

OBJECTIVE:Toanalyzetheinteractionamongchondrocytes,extracellular

matrixandgrowthfactors,andthedevelopmentofthesubstituteofextra-cellularmatrixincartilagetissueengineering.

DATASOURCES:Acomputer-basedsearchofMedlinedatabasewasun-dertakentoidentifyarticlesaboutextracellularmatrixofcartilagepub-lishedinEnglishbetweenJanuary1995andDecember2005byusingthekeywordsof“cartilage;extracellularmatrix”.

STUDYSELECTION:Theliteraturesaboutcartilagetissueengineeringwereselected,andthenthefulltextsweresearchedfor.Inclusivecriteria:①Theextracellularmatrixofcartilageanditsreceptor.②reconstructionofcartilagetissuerelatedgrowthfactors.③Thesubstituteofextracellularma-trixincartilagetissueengineering.Exclusivecriteria:Reviews,repetitivestudiesorMetaanalyticalpapers.

DATAEXTRACTION:Totally1179articlesaboutcartilagetissueengi-neeringandextracellularmatrixwerecollected,36accordedwiththein-clusivecriteria.

DATASYNTHESIS:Thecartilageitselflacksabloodsupplytosupportrepairandremodeling.Becauseofthelimitedcapacityforspontaneousre-pair,minorinjurytoarticularcartilagemayleadtoprogressivedamageanddegeneration.Thecartilageextracellularmatrix(ECM)playsanimportantroleincartilagehomeostasisandrepair.Chondrocytesynthesizesandse-cretesECMandis,inturn,regulatedbyECM.Therefore,interactionbe-tweenthechondrocytesandtheirsurroundingsshouldbetakenintoac-countinreconstructionofcartilagetissue.

CONCLUSION:StudyontheinteractionbetweenchondrocytesandtheirsurroundingsisthekeytoreconstructEMCandpromotecartilagerecovery.

MaoY,ZhangXZ.Extracellularmatrixincartilagetissueengineering.ZhongguoLinchuangKangfu2006>10(29):152-5(China)

毛艳,张西正.软骨组织工程中细胞外基质的研究[J].中国临床康复,2006,10(29):152-5[www.zglckf.com]

1995-01/2005-12相关软骨组织工程的文献,对软骨

细胞外基质及其受体、软骨组织重建相关生长因子、软骨细胞外基质替代物的研究进展进行讨论。

1软骨细胞外基质的成分

细胞外基质是指存在于细胞间的大分子物质,由细胞分泌并存在于机体的所有器官及组织。软骨基质由丰富的蛋白多糖及胶原纤维组成,是软骨细胞间的填充,更是软骨组织的支架。软骨基质通过细胞膜上的细胞外基质受体与软骨细胞相联系,在软骨细胞的增值、迁移、细胞间信号的传递甚至组织工程软骨的力学响应方面都起着重要作用。

1.1

胶原蛋白

关节软骨的胶原以Ⅱ型胶原蛋白为主,

占软骨胶原总量的90%~95%,是软骨细胞的特征性表型。Ⅱ型胶原在软骨内交织成三维网状,被聚合型蛋白多糖缠绕,起到固定蛋白多糖的作用,同时也结合一些水和阳离子,为关节软骨提供抗张强度。Ⅸ型胶原分布于Ⅱ型胶原表面,与Ⅱ型胶原纤维网的稳定性有关。Ⅹ型胶原主要存在于软骨细胞肥大区域,可能与钙化有关。Ⅵ型胶原在软骨细胞附近较多,能与多种细胞外基质成分作用,具有细胞锚定和信号传递的作用[1]。关节软骨内尚有少量的非胶原蛋白,如软骨连接蛋白,其功能是促进软骨细胞表面与Ⅱ型胶原纤维黏着。

摘要

目的:分析软骨组织工程中软骨细胞、软骨基质、生长因子之间的相互作用及细胞外基质替代物的开发。

资料来源:应用计算机检索Medline1995-01/2005-12有关软骨组织工程中软骨细胞外基质的文章,检索词为“cartilage;extracellularmatrix”,并限定文章语言种类为English。

资料选择:对资料进行审阅,选取包括软骨组织工程的文章,并查阅全文。纳入标准:①软骨细胞外基质及其受体。②软骨组织重建相关生长因子。③软骨细胞外基质替代物。排除标准:Meta分析、综述文献、重复研究。

资料提炼:共收集到1179篇关于组织工程软骨及细胞外基质的文献,纳入符合标准的文献29篇。

资料综合:软骨组织无血管,其自我修复及重建能力有限,较小的创伤就会造成严重的软骨损伤及变性。软骨基质在软骨自身动态平衡及软

1.2

蛋白多糖

软骨中的蛋白多糖由透明质酸、蛋白多

糖单体以及连接蛋白共同组成,是一种结构庞大的聚集体。长短不一的蛋白多糖单体以非共价键垂直连接在透明质酸垂直链上,连接蛋白进一步加固两者间的

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毛艳,等.软骨组织工程中细胞外基质的研究

153

结合。蛋白多糖具有伸展的结构,使其在组织中占据较大空间,并结合了大量水分子。呈非溶解状态的胶原纤维则具有较大的刚性,作为支架使软骨呈一定的形状,透明质酸将游离的蛋白多糖单体固定于胶原纤维网之间,由于蛋白多糖浓度很高,在胶原骨架之间形成了水合性极强的黏稠胶体,使软骨坚硬而富于弹性。

区与细胞骨架相关蛋白以及多种信号分子(如黏着斑激酶)结合。除了传递力学信号,整合素在力学因素的刺激下还可影响细胞内多种信号分子的活动。对软骨细胞施加力学刺激后,蛋白激酶C向细胞膜转位并与其活化受体及β1整合素结合。如果对此过程中的β1整合素进行阻断,就可以抑制此反应。蛋白激酶受体可能决定酶底物的特异性,因此整合素可以调控蛋白激酶C的功能[6]。Lahiji等[7]对体外培养的软骨细胞施加

1.3

其他成分

除组织液以外,软骨基质中还存在一些

非胶原成分,如软骨寡聚基质蛋白。有证据表明软骨寡聚基质蛋白在细胞外基质的装配过程中起着非常重要的作用[2],被认为具有关节软骨细胞相对特异性。纤连蛋白也是近年来研究的热点之一。其沉积于一系列的细胞外基质,是最早发现的具有促进细胞黏附作用的物质,其通过整合素家族与细胞外基质的结合而附着,并可以通过其亚单位上的结合域结合于细胞外基质其他成分。在软骨组织工程中,纤连蛋白可以引起细胞骨架组成及排列发生改变,显著促进细胞的黏附及铺展,从而使细胞的生长速度加快。

24h周期性的牵张力后发现Ⅱ型胶原表达上调,并且作

为其受体的α2整合素与之同步上调,而α5整合素则只

有较小的变化,说明基质成分的变化能够影响其受体的表达,二者具有一定的协同性。但是关于整合素与力学信号转导确切的信号途径以及各种整合素功能的差异均无定论,尚需要更深入的研究。

3关节软骨基质和生长因子

细胞外基质对细胞行为的调节不仅通过黏附整和

素或其他细胞外基质受体向基质内的细胞提供信号,还通过对可溶性介质进行黏附、存储、释放、表达等一系列过程来实现。生长因子对软骨细胞的有丝分裂、

2软骨细胞外基质的受体

在软骨细胞的增殖、分化以及自身的平衡的过程中,细胞外基质提供了重要的信号。软骨细胞及软骨基质的相互作用在一定程度上由其分子受体家族介导,该受体家族称为整合素。

DNA合成有重要影响,可以促进细胞外基质的合成并

抑制其降解,从而使细胞处于最佳的表型。目前,多种生长因子已经被证实在软骨组织工程中起着非常重要的作用。

2.1

整合素

整合素是介导细胞与细胞外基质黏附作

用的主要因子,由α亚单位和β亚单位通过共价键连接形成异二聚体跨膜糖蛋白,不同的αβ二聚体识别相同或不同的配体(包括纤维连接蛋白、层粘连蛋白、胶原蛋白等)。在软骨细胞中,整合素不仅存在于细胞膜,细胞外基质自身也含有整和素[3]。通过荧光显微镜、电子显微镜以及免疫沉淀反应的方法已经在软骨基质中发现了β1,α1,α5β1,其中以纤维连接素受体α5β1含量最大。这些整和素在形成和构建软骨细胞基质方面起着重要的作用。种植在胶原支架上的软骨细胞,只有在含α1β1,α2β1,α10β1整和素的情况下细胞才可能存活[4]。软骨细胞通过αVβ3和骨桥蛋白相互作用还可以使关节软骨免受白细胞介素1的损伤[5]。

3.1

转化生长因子β

转化生长因子β在关节软骨中含

量丰富,是已知的在软骨形成的初级阶段起重要作用的生长因子,它不但可以促进包括Ⅱ型胶原在内的软骨基质的分泌[8],还可以诱导间充质干细胞向软骨细胞分化[9],并对生长于无血清培养基中的细胞存活起到非常重要的作用[10]。研究表明,培养于海藻酸盐中的牛关节软骨细胞在添加了转化生长因子β后,细胞的增殖及蛋白多糖的合成都明显增加[11]。Ⅱ型胶原本身也影响转化生长因子β对细胞的作用,正常的Ⅱ型胶原可以增强软骨细胞对其的响应,热失活的Ⅱ型胶原则没有此作用[12]。在细胞培养时加入Ⅱ型胶原,转化生长因子

2.2

整合素与力学信号传导

软骨组织处于复杂的力学

β的表达也会增加[13],说明类似蛋白聚糖及Ⅱ型胶原这样典型的细胞外基质分子可以影响转化生长因子β对

软骨细胞行为的作用。

环境中,力学因素的刺激对维持软骨细胞正常功能及形态有重要的影响,适当的应力可以促进软骨适应性的生长及重建。软骨细胞可以感受外在的应力刺激并将其转化为胞内信号,从而改变细胞外基质成分,影响细胞各种生理活动,使软骨适应外在的负荷变化。软骨组织工程就是要在体外模拟正常软骨的生长环境及在体软骨所受的力学影响,最大程度的重现生理状态下的各种复杂因素。

整合素对于力学信号的传入及转化有着重要作用,其细胞膜外区介导细胞与细胞外基质的结合;胞浆

3.2

胰岛素样生长因子1

胰岛素样生长因子1被认为

是正常软骨合成代谢的主要生长因子[14],通过与其黏附蛋白相互作用来调整其生物学功能。胰岛素样生长因子1在软骨的合成代谢方面具有特殊的作用,能促进蛋白合成、刺激细胞生长,可以缩短软骨细胞培养周期,还可以在有效的的浓度下促进软骨细胞表型的表达,使软骨细胞分泌正常的蛋白多糖及Ⅱ型胶原。在纤维蛋白中加入胰岛素样生长因子1可以促进马软骨细胞外基质中蛋白多糖的合成[15]。软骨细胞-纤维蛋白的

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填充物中加入胰岛素样生长因子1可以促进组织缺损处的软骨形成,并促进新形成的软骨组织与周围组织的愈合[16]。

行必要的预湿;其次,它们是非天然生物材料,缺乏有利于细胞黏附的序列结构;再次,其产物为有机酸,在体内植入后会导致周围组织pH值降低从而引发炎症。胶原和蛋白多糖是正常软骨细胞外基质中的主要成分,胶原-糖胺多糖共聚物比单纯胶原具有更好的弹性,并因其较PGA等聚合物具有更好的生物相容性及更低的免疫排斥性、可降解、产物无毒性等优点已经被作为支架材料应用于人工皮肤的移植

[27]

3.3

骨形态发生蛋白

骨形态发生蛋白主要来源于成骨

细胞,是公认的骨修复中最重要的诱导分化因子,已广泛应用于骨组织工程中。近年来人们发现它能诱导组织中的间充质细胞增殖分化为软骨细胞,继而形成软骨组织。骨形态发生蛋白2在N-末端含有一个肝磷脂黏附位点[17],可以通过与软骨的Ⅱ型胶原黏附而起作用[18]。Kramer等[19]的研究表明,鼠的胚胎干细胞可以在骨形态发生蛋白2、骨形态发生蛋白4的诱导下定向分化为软骨细胞。在人关节软骨的修复中,骨形态发生蛋白2和骨形态发生蛋白9还可以促进人间充质干细胞分化为软骨细胞表型[20],而骨形态发生蛋白7比胰岛素样生长因子1更能促进蛋白多糖的合成[21]。

。受此启发,

Chang等[28]选择凝胶-硫酸软骨素-透明质酸共聚物来

模拟正常软骨的细胞外基质,实验发现,当将细胞与支架材料复合并置于旋转瓶中培养时,软骨细胞可以在支架中均匀的分布并分泌新的细胞外基质以维持其表型。这说明凝胶-硫酸软骨素-透明质酸共聚物不但具有良好的生物相容性还可以为细胞提供黏附基础,同时也可以满足软骨组织工程中对支架材料的力学要求。这使作者确信其完全有可能取代人工合成的共聚物而成为软骨组织工程中的理想支架材料。另外,糖胺多糖类似物脱乙酰壳聚糖也成为近年的一个研究热点。脱乙酰壳聚糖是在自然界中广泛存在的天然多聚物壳聚糖的衍生物,它最突出的优良特性之一是能够形成不同结构的高孔隙率材料。Lu等[29]实验表明脱乙酰壳聚糖可能对关节软骨的损伤后修复有益,脱乙酰壳聚糖支架可以较长时间维持软骨种子细胞与支架的黏附并保持其形态学特征。

软骨组织工程是一种修复软骨损伤的可行方法,寻找一种合适的支架材料至关重要。软骨组织工程中新型支架材料的完善不但可以为细胞黏附提供正确的三维空间及物理刺激,还可以为细胞的生长提供足够的化学信号。如果在细胞黏附初期,组织工程的支架材料不能为细胞提供这些来自细胞外基质及生长因子的信号,软骨的重建将不可能实现。而随着软骨修复的进行,软骨细胞自身将产生必要的信号来维持自身平衡并实现软骨的进一步重建。

3.4

碱性成纤维细胞生长因子

碱性成纤维细胞生长因子

由软骨细胞及其前体细胞分泌,对软骨的修复起重要调作用,可以促进软骨细胞增殖并使增殖细胞稳定地向成熟软骨细胞分化。Arevalo-Silva等[22]用含10μg/L碱性成纤维细胞生长因子的培养液培养原代软骨细胞

3周后发现,第1代细胞的数量为对照组的两倍多,并

具有很好的体内成软骨能力。在将细胞转移到三维聚合支架材料之前添加碱性成纤维细胞生长因子,可以使去分化的细胞重新恢复软骨细胞表型[23]。

4细胞外基质替代物的开发及应用

由于细胞外基质是细胞附着的基本框架和代谢场所,所以它的形态及功能就直接影响其所构成组织的形态及功能。支架材料作为细胞与生长因子的传递系统可以为复合的细胞提供初期的结构支持,并在细胞生长及分泌自身的基质的过程中逐渐降解,起到细胞外基质替代物的作用。

目前,有许多天然或人工合成的支架材料已经被应用于软骨组织工程中,其中研究最多的传统材料为这些聚合物易于PGA和PLA或二者的共聚物PLGA[24]。

种植细胞并可以纤维或海绵状的形式被植入组织缺损部位。其中PLG还可以形成微球,并以其小型球状体的状态将缓冲液、生长因子及其他蛋白封包在其中以达到控制其释放的目的[25]。以PLG微球体-软骨细胞系统通过铸模可以在体外形成软骨组织,而体外培养的软骨样组织与同样应用PLG微球体经过在体培养所获得软骨组织具有相似的特点[26],这表明PLG微球作为支架物在软骨组织形成和发育过程中起到持续而特殊的作用。

尽管上述传统聚合物材料已经在软骨组织工程中应用并取得了初步的进展,但都有其缺陷性。首先,它们是非亲水物质,其疏水性使其在细胞种植之前要进

763452

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水胶体类敷料和理疗方法在慢性损伤性下肢溃疡中的应用

彤,张慈凤(广州医学院第二附属医院康复科,广东省广州市

1对象和方法

设计:随机对照实验。

单位:广州医学院第二附属医院康复科。

对象:选择2003-03/2005-09到广州医学院第二附属医院

510260)康复科就诊的慢性损伤性下肢溃疡患者32例,其中大腿前侧3例,小腿胫前10例,小腿外侧6例,踝部8例,足部5例。病因为

观察物理因子与水胶体类敷料结合促进下肢溃疡

观察对象为2003-03/2005-09到

烧伤、擦伤、硬物撞伤、摩托车碾挫伤等。纳入标准:①临床诊断为慢性损伤性下肢溃疡。②年龄>45岁。③病程>30d。④溃疡面无健康肉芽生长,不深及肌腱及以下组织。⑤停用抗菌素及与创面愈合有关的其他药物。⑥自愿接受治疗。排除标准:①全身肺、肝/肾功营养不良。②糖尿病,下肢静脉炎,下肢脉管炎,心、能不全或恶性肿瘤等。③创面内有体外异物残留。

根据预实验中,对照组与实验组平均愈合时间相差7.7d,标准差6.7,α采用随机数=0.05,确定所需观察例数为32例。字表法将患者随机分组为对照组:物理因子治疗和外科常规处理;实验组:综合应用水胶体类敷料、物理因子治疗和外科常规处理。每组各16例。对照组:男12例,女4例;年龄(57±10)岁;病程(42±7)d;溃疡面积(6.02±1.14)cm2。实验组:男10例,女6例;年龄(58±9)岁;病程(39.0±5.8)d;溃疡面积

摘要:目的

愈合的效果和优越性。方法

广州医学院第二附属医院康复科就诊的慢性损伤性下肢溃疡患者,患者知情同意,根据预实验结果确定观察例数为32例。采用随机数字表法将患者随机分为实验组和对照组,每组各16例。对照组:理疗和外科常规处理。实验组:综合应用水胶体类敷料(康惠尔系列)、理疗和外科常规处理。理疗方法包括漩涡浴、紫外线/红外线照射和超短波电疗。水胶体类敷料包括清创康惠尔粉剂(以下称溃疡粉)胶、康惠尔糊剂(以下称溃疡糊)、和溃疡贴。专人肉眼观察分别记录首次出现健康肉芽的时间和溃疡面完全上皮化(简称愈合)的时间。结果

①实验组新鲜肉

芽出现时间短于对照组[实验组为(1.8±0.7)d,对照组为(3.5

±1.1)d,P<0.01)。②实验组溃疡愈合时间短于对照组[实验组

为(15.4±4.8)d,对照组为(22.9±5.4)d,P<0.01]。结论主题词:溃疡;下肢;物理疗法;随机对照试验$封闭敷料

综合应

用理疗和水胶体类敷料能促进慢性损伤性下肢溃疡的愈合。

(6.22±1.64)cm2。

设计、实施、评估者:第一作者设计实验和确定治疗方法,第二作者实施治疗,同一指标由同一人观察评估。

方法:

物理因子治疗仪器包括手提式紫外线治疗机、超短波治疗外用材料采用机、红外线治疗仪和MIDLAND下肢漩涡水疗机。丹麦康乐保中国有限公司的康惠尔水胶体类敷料系列,包括清创胶、溃疡糊、溃疡粉和溃疡贴。

0引言

临床工作中会遇到一些外伤所致的下肢创面,由于各种原

因,虽然采用常规外科清缝和更换敷料,仍然迁延不愈。本实验将物理因子治疗和水胶体类敷料结合应用到慢性损伤性下肢溃疡的治疗中,观察和探讨其促进溃疡愈合的作用和优越性。


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