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组织工程皮肤修复创面的研究进展
2009-06-15 16:00   发布范围:公开

口腔医学系三队  宋  杨

摘  要严重创伤,如大面积烧伤等,缺乏皮肤的覆盖修复是对病人生命抢救的最大威胁,传统的自体皮移植方法有许多缺陷,如创面瘢痕增生严重地影响了病人的形态与功能,而组织工程化皮肤的研究进展及其产品的出现为此类病人提供了新的契机,到目前为止,组织工程化皮肤的研究的三大要素是:1细胞外基质替代物的研究;2种子细胞的研究;3生长因子。

关键词组织工程;皮肤;烧伤


0 引言

大面积严重烧伤,缺乏皮肤的覆盖修复是对病人生命抢救的最大威胁,抢救成功与否,决定于创面可否覆盖,传统的自体皮移植方法有许多缺陷,皮源不足,创面暴露时间长,潜在并发感染的威胁,小皮片增殖愈合的创面瘢痕增生严重,严重地影响了病人的形态与功能等,并且是一种创伤性治疗的方法,而组织工程化皮肤的研究进展及其产品的出现为烧伤病人治疗提供了一条光明的道路,同时为烧伤瘢痕、皮肤溃疡等病变的防治提供了新的解决途径。到目前为止,组织工程化皮肤的研究的三大要素是:1细胞外基质替代物的研究;2种子细胞的研究;3生长因子。

1 细胞外基质替代物

细胞必须依赖于细胞外基质的存在才能发挥其功能,基质材料的选择决定着细胞的生物学行为和生长效率以及创面修复后的效果,因此一个理想的基质材料应该是:1组织相容性好,无排斥反应;2生物可降解性、降解可调性及降解无毒性;3易于消毒,易于保存;4无热源反应,无致癌性,不致畸;5对细胞和周围组织无刺激性,不干扰机体的免疫机制,不引起免疫排斥反应;6植入组织后不引起溶血、凝血反应,不破坏或改变体液、血液成份;7表面化学特征和表面微结构利于细胞的粘附和生长;8足够的力学性能和良好的生物机械性能;9良好的生物稳定性;10基质溶出物及可渗出物含量低,避免引起严重的生理反应;11材料来源广泛,价格低廉,便于加工、灭菌、消毒。

目前此类材料主要有两大类,一类是人工合成材料,另一类是天然生物材料。

天然生物材料研究应用最多的是脱细胞真皮基质:去除新鲜异体或异种皮肤中的表皮成分,再对真皮层进一步处理,保留正常的胶原三维结构及基底膜的真皮支架,抗原性降低,不容易被降解,抗感染能力强。与培养的自体皮肤成复合皮,其效果相当于厚的自体皮移植,起到永久覆盖的作用。Wainwringht1995年首先将异体脱细胞人真皮基质Alloderm应用于临床。脱细胞真皮基质还有血管化快的特点,脱细胞真皮基质移植后2周后基本完全血管化,再血管化过程迅速[1]

人工聚合材料真皮替代物主要有以下几类:无细胞胶原海绵以Integra为代表,表面为硅胶层,由戊二醛交联的牛Ⅰ型胶原与62硫酸软骨素(GAG)构成“真皮”。通过回顾研究Integra在美国13个烧伤中心的临床应用,216例烧伤患者创面的治疗情况得到的资料表明,2~3周创面新生真皮层再生,移植表皮成功率达87.7%,感染率低,对烧伤患者的临床应用安全、可靠[2]。Still等[3]在烧伤病人刃厚皮供皮区使用OrCel(一种双层胶原海绵),观察它能加速创面愈合、减轻瘢痕形成。Dermagraft系列属于合成网膜材料,是把新生儿的成纤维细胞培养在聚乳酸纤维网上的一种人工聚合材料,它可于3~4周后降解,其生物相容性很好。该材料已成功用于糖尿病溃疡的治疗,而且费用也低于传统的治疗方法[4]。Biobrane外层结构为硅膜,内层为尼龙纤维网,网眼中充满胶原,但仅适用供皮区和浅度烧伤创面。可以减轻疼痛,创面愈合美观。使用Biobrane的住院时间和治疗时间明显缩短且未发生感染等并发症[5]。透明质酸促进表皮的移行分化,加速创面愈合,改善血管生成,减轻瘢痕形成[6]。纤维蛋白胶可诱导VEGF的分泌,移植体内后促进表皮结构的成熟,促进血管内皮细胞向创面的移动,有利于移植物血管化[7]

理想的皮肤替代物应同时修复表皮和真皮组织,表皮和真皮基质成分可相互诱导,尽可能恢复皮肤的功能和外观。Apligraf是人工合成活性组织工程皮肤,从新生儿获取的角质细胞和成纤维细胞将进行培养。获得的成纤维细胞种植于在纯牛Ⅰ型胶原中,使成纤维细胞产生疏松的基质成分,经过2周培养可产生致密的纤维结构,然后在其表面培养角质细胞。Apligraf尽管含有异体的细胞和蛋白质,但不会引起宿主明显的免疫反应,可能是因为组织化工程皮肤不涉及引起免疫应答的细胞,如朗罕细胞和内皮细胞。Apligraf还可产生细胞因子和生长因子。该材料已用于难治性溃疡及急性皮肤缺损,是安全有效的治疗方法[8]。Wang等[9]用双层明胶支架为基质进行器官型表皮细胞和成纤维细胞的共同培养,加入62硫酸软骨素和透明质酸以创造促进细胞增殖扩散的微环境。用碳化二亚交联以增强明胶海绵的强度。进行3周的气液培养后检测可见复层角质细胞分化和表型表达。Herson等[10]研究表明人角质细胞能很好在异体脱细胞人真皮基质上粘附生长,最终得到含有多层角质细胞的复合皮。有报道将培养的表皮细胞种植在Interga真皮用于覆盖创面并已取得成功[11]。复合壳多糖人工皮肤的研究也处在实验阶段[12]。Hoeller等[13]报道了用人毛囊细胞和成纤维细胞构建复合皮的实验研究。黑色素细胞培养在皮肤组织工程中也有重要意义,可能通过分泌某些因子促进体外培养角质细胞的生长。Lei等[14]在体外进行角质细胞与黑色素细胞共同培养模型,以期探索体外角质细胞与黑色素细胞近于生理状态下的相互作用,进而阐明皮肤色素沉着调控机制。

2 种子细胞

体外培养扩增细胞是组织工程学研究中最基础的工作,确定细胞的主要来源是组织工程研究的首要前提。目前用于研究的细胞可来自异种、同种异体和自体细胞三种。异种细胞(动物细胞)来源广泛,但易于引起免疫排斥反应,研究者多采用微囊包裹异种细胞和免疫隔离技术,已进行了动物实验和临床应用,但其安全性和远期效果仍需进一步扩大临床验证。同种异体细胞采用人胚胎来源的细胞,由于其具有分裂增殖能力强,可在体外连续传代培养,抗原性低等特点,是组织工程研究中应用最广的种子细胞。人胚细胞主要取自自然流产、人工流产或引产的胚胎。然而许多国家将流产视为非法,采用胚胎组织或其制品更视为“不道德”,是一个有争议的问题。这不仅有材料本身的来源困难,还有来自社会的伦理学压力。自体细胞用作构建组织工程化皮肤是最理想的,因此有异种细胞、同种异体细胞不可替代的优点,不必考虑免疫排斥反应问题,但取自体细胞不可避免要增加创伤,同时,细胞所需培养、纯化、扩增,需要一定时间,大面积皮肤烧伤的病人,没有大量的时间等待细胞培养,因此会延误治疗。自表皮细胞培养方法出现以来,自体表皮细胞膜片已有商品化生产,但其临床效果不尽如人意,考虑其增生能力有限,难以作为可靠的细胞来源,而干细胞的定向诱导分化有望解决这一难题,干细胞是人体皮肤中众多分化良好的细胞的来源,有学者开始研究将自身胚胎干细胞培养技术和克隆技术应用于组织工程技术的可能性,用单一的原位细胞可克隆出含有多种细胞的复杂的三维立体状人体皮肤组织。除胚胎干细胞外,骨髓干细胞分化潜能也涵盖了内、中、外三个胚层的细胞或组织。研究者已经能在体外分离培养多种组织干细胞,包括皮肤基底层中分离的表皮干细胞,大约有10%的基底层细胞是表皮干细胞[15]。位于表皮之下的毛囊隆突处的毛囊干细胞,它们不仅能向下转移到毛囊,生成毛囊组织的多种细胞类型,而且还能从毛囊外根鞘向上迁移形成表皮,具有多重功能[16]。Jahoda等[17]研究表明,真皮鞘内的祖细胞在皮肤损伤后能转换成为创伤愈合过程中需要的成纤维细胞,在皮肤的修复中起重要作用。Li等[18]探讨了表皮样干细胞直接分化为汗腺的可能性,从发育学角度证实汗腺细胞来源于表皮干细胞,并初步证实了可能的调控机制,为进一步研究表皮干细胞再生汗腺提供了思路。深入进行表皮干细胞转分化为皮肤附属物组织的研究,对实现创面的功能修复有重大意义。

3 生长因子

生长因子是通过细胞间信号传递影响细胞活动的一类多肽因子,在组织工程实践中,研究并模仿各种生长因子的作用平衡是组织工程研究的重点之一,它对细胞具有促进或抑制其分裂增殖、迁移和基因表达的作用,在生理条件下,生长因子的作用方式往往是多种生长因子的连续序贯作用,但就每一种生长因子而言,其作用的基本方式是生长因子与相应受体相结合,从而引起细胞表达的改变,产生生物效应,可以说生长因子是组织工程的重要工具、生长因子种类繁多,结构各异、来源复杂、功能复杂,在体内的作用方式是多种生长因子的连续序贯作用,且单一生长因子对不同种类细胞或同一细胞的不同阶段又有不同作用。然而天然皮肤的细胞生长在一个复杂而有序的微环境中,各种生长因子与激素的共同作用使细胞进行有序的分裂、生长、分化和新陈代谢。在组织工程化皮肤的研制中,制造一个模拟人体内微环境的由各种生长因子构成的网络状反馈系统尚未可能。转基因细胞可以持久、稳定地分泌某种特定的细胞因子,通过自分泌、旁分泌的作用,调控细胞的生物学行为,具有外源性细胞因子不可比拟的优势。

4 存在的问题与展望

组织工程皮肤虽然在临床应用取得了成功,但大面积的推广尤其是在一般的临床医院应用仍有许多困难,主要是其移植的适应证要求高,移植的成功率低。此外,由于缺乏皮肤附件,如汗腺、皮脂腺等,这些皮肤仍然不是一个真正意义上的皮肤器官。因此,如何提高组织工程皮肤的生物性能,并且使移植更加简单、移植物更加易于成活,如何提高移植后远期疗效和安全性等仍是需要解决的问题[1920]。组织工程产品的构建涉及到细胞、材料,体内植入又涉及到免疫、新陈代谢、血液供应、神经支配、功能调节、生长发育及老化等问题。这些问题很难由一个学科、一个研究单位完成,需要细胞生物学、发育生物学、分子生物学、移植免疫学、生物材料学、生物化学和临床医学等的有机结合,共同攻关才能解决。多学科的交叉与结合已成为组织工程发展的趋势。相信随着科学的迅猛发展,人们定会研制出性能更好的人工皮肤,最终解决皮肤重建的难题。

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