【干細(xì)胞論壇】骨缺損修復(fù)生物材料與骨再生（一）

頜骨是整個顏面部的支撐結(jié)構(gòu)，不僅決定了人的面部形態(tài)和容貌特征，還承擔(dān)著咀嚼、言語、吞咽、呼吸和吮吸等重要生理功能；因腫瘤、創(chuàng)傷、炎癥及先天性疾病等造成的頜骨缺損嚴(yán)重影響患者的身心健康和生活質(zhì)量。目前，臨床上針對頜骨缺損患者，除贗復(fù)體修復(fù)治療外，還有以下兩種常用方法：①自體骨移植，仍然作為頜骨大范圍缺損修復(fù)的金標(biāo)準(zhǔn)，尤其是帶血管蒂骨移植具有確切的修復(fù)效果，但這畢竟是一種"拆東墻補(bǔ)西墻"的治療方式，存在供骨區(qū)創(chuàng)傷、一定的失敗率和需要多次手術(shù)等諸多缺點(diǎn)，會給患者帶來額外的損傷；②骨修復(fù)材料，臨床上常用的有Bio-Oss骨粉、羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）、β-磷酸三鈣（β-tricalcium phosphate，β-TCP）等材料，盡管在牙槽窩位點(diǎn)保存等小范圍骨缺損修復(fù)中取得了較好的治療效果，但由于這些材料在修復(fù)過程中主要起到骨傳導(dǎo)的作用，本身缺乏成骨誘導(dǎo)能力，可導(dǎo)致修復(fù)時間過長且不能用于頜骨大范圍缺損修復(fù)。結(jié)合兩者綜合分析，帶蒂自體骨的成功可歸結(jié)于其具有大量參與骨修復(fù)的活細(xì)胞及整體快速血管化再通的能力，提高了大塊頜骨再生的成功率和效率，為骨修復(fù)材料成骨性能的改善和優(yōu)化提供了參考。

隨著干細(xì)胞技術(shù)、組織工程和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展，以生物支架材料及相關(guān)改性材料為基礎(chǔ)、結(jié)合干細(xì)胞構(gòu)建組織工程骨復(fù)合物成為頜骨再生的新思路。本文將重點(diǎn)闡述生物材料調(diào)控干細(xì)胞的投遞、存活和分化及其在骨缺損再生修復(fù)中的作用。

一、骨修復(fù)生物支架材料的基本要求

在骨再生過程中，支架材料可為種子細(xì)胞的黏附、增殖與分化提供微環(huán)境，維系一定的立體構(gòu)型而引導(dǎo)血管等組織細(xì)胞的遷移生長，并可作為活性蛋白因子等藥物的載體，更好地調(diào)控新骨形成[1,2]。因此，選擇合適的生物材料是大塊頜骨再生的關(guān)鍵。對于骨修復(fù)支架材料而言，一般需要具備以下基本要求：①良好的生物相容性。在生物體內(nèi)，材料應(yīng)不影響組織細(xì)胞的正常活性，不干擾、抑制分子信號通路，不引起機(jī)體局部及全身毒性反應(yīng)[3]。材料的生物相容性還體現(xiàn)在骨誘導(dǎo)性、骨重建性和血管化水平，這些特性對骨再生具有積極意義。②生物可降解性。支架材料在生物體內(nèi)按照一定的速率降解對于骨再生而言是十分重要的特性。理想的生物材料應(yīng)具有可控的降解速率和降解方式，材料降解的同時伴隨新生骨礦化、沉積。骨再生中生物支架材料的降解速率控制在3至6個月為宜[4]。③多級孔隙結(jié)構(gòu)。材料內(nèi)部相互連通的多孔結(jié)構(gòu)是骨修復(fù)支架設(shè)計中的關(guān)鍵內(nèi)容之一。O'Brien團(tuán)隊提出支架中孔隙直徑為200~350 μm時，更利于成骨細(xì)胞的黏附和增殖；而多級微納米結(jié)構(gòu)的綜合設(shè)計，可能實現(xiàn)更多的功能需求和更好的骨再生效果[5]。④良好的機(jī)械性能。支架材料在應(yīng)用中必須具有一定的機(jī)械強(qiáng)度以滿足骨缺損處的機(jī)械支撐要求。理想支架材料的機(jī)械強(qiáng)度和彈性模量等參數(shù)應(yīng)與天然骨組織相匹配。由于頜骨組織支撐著正常面部外形和容貌特征，并承擔(dān)咀嚼、語言和吞咽等復(fù)雜精細(xì)的生理功能，頜骨組織缺損的精確再生修復(fù)至關(guān)重要，頜骨支架材料的個性化制備也成為今后的發(fā)展方向。

二、骨缺損修復(fù)生物材料作為干細(xì)胞的投遞載體

干細(xì)胞具有自我更新和多向分化能力，理論上可在體外擴(kuò)增至足夠數(shù)量并被誘導(dǎo)分化為成骨細(xì)胞，進(jìn)而用于骨再生治療?？捎糜诠窃偕母杉?xì)胞種類很多，僅從口腔頜面部分離培養(yǎng)的成體干細(xì)胞種類即達(dá)10余種。近年來，干細(xì)胞在頜骨再生中的應(yīng)用已有大量系統(tǒng)性研究，展示了其在頜骨再生中的優(yōu)勢和價值，如自2013以年，來自美國密歇根大學(xué)牙科學(xué)院和密歇根口腔健康研究中心與Aastrom生物科學(xué)公司的研究人員首次報道了干細(xì)胞用于頜面骨再生的臨床隨機(jī)對照試驗，該項臨床試驗涉及24例拔牙后接受牙槽骨保存的患者，相比傳統(tǒng)的骨修復(fù)治療方法，利用CD14+和CD90+的干細(xì)胞再生頜面骨組織更有效且侵入性更小[6]。生物材料作為干細(xì)胞載體，可模擬細(xì)胞外基質(zhì)成分，形成細(xì)胞的三維培養(yǎng)環(huán)境，調(diào)節(jié)細(xì)胞黏附、增殖、遷移和分化，以提高干細(xì)胞在體內(nèi)的使用量和存活率，進(jìn)一步提高骨再生效率。目前，研究較多的可作為干細(xì)胞投遞載體的生物材料根據(jù)化學(xué)組成可分為生物活性陶瓷/玻璃、合成高分子材料等種類。

1．生物活性陶瓷/玻璃：

此類生物材料中最具代表性的是磷酸鈣生物活性陶瓷，包括：HA、β-TCP、雙相磷酸鈣。因其化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)與天然骨的礦化基質(zhì)相近，此類材料常用來制備載細(xì)胞支架[7]。這些傳統(tǒng)的三維多孔支架材料孔徑大小、分布及孔隙率都能影響干細(xì)胞的負(fù)載和體內(nèi)存活，材料中負(fù)載Sr、Zn等活性離子調(diào)節(jié)細(xì)胞黏附、血管再生，也可促進(jìn)新骨形成[8,9]。

2．合成高分子材料：

高分子材料按來源可分為天然高分子材料，如：多聚糖類（殼聚糖）、蛋白類（膠原）、絲素蛋白和海藻酸鹽等；人工合成材料，如：聚乳酸、聚乙醇酸和聚己內(nèi)酯等。高分子材料相比無機(jī)材料的優(yōu)勢在于可控的降解性能、良好的生物相容性及易于構(gòu)建[10]，特別是天然高分子材料作為干細(xì)胞載體，有良好的生物相容性，可提高干細(xì)胞的存活率。骨髓干細(xì)胞負(fù)載于β-TCP/HA支架材料用于異位成骨，干細(xì)胞植入體內(nèi)7 d后基本完全消失[11]；而筆者團(tuán)隊前期研究使用多孔絲蛋白支架負(fù)載干細(xì)胞修復(fù)大鼠顱骨缺損，體內(nèi)放置至第8周時仍有大量干細(xì)胞存活，且這些干細(xì)胞可被生長因子誘導(dǎo)分化參與血管化骨再生[12]。高分子類材料可制備成多種形式應(yīng)用于科研與臨床中。例如水凝膠一類親水聚合物通過交聯(lián)劑形成的高含水生物材料，用于包被干細(xì)胞以提高干細(xì)胞的使用量，可以通過可注射途徑直接加入缺損區(qū)，也可通過先滴加于多孔支架內(nèi)再移植于缺損區(qū)的方式提高骨再生效果[13]。近年來，生物打印技術(shù)的成熟使水凝膠材料受到更多重視，水凝膠材料作為干細(xì)胞載體，在快速成型技術(shù)的輔助下可直接形成人體器官或組織[14]，為骨再生帶來新的策略與希望。另外，利用高分子材料搭配先進(jìn)的制造技術(shù)，可制備成微球載體，是另外一種有利于干細(xì)胞體外擴(kuò)增培養(yǎng)及體內(nèi)高效使用的新方法，尤其是多孔微球，高比表面積使其能負(fù)載更多的細(xì)胞且細(xì)胞在三維微環(huán)境中能更好地生長，體內(nèi)應(yīng)用方式也可多樣化，體外培養(yǎng)形成的細(xì)胞外基質(zhì)成分能完整保留，有助于干細(xì)胞更好、更快地參與骨再生[15]。

三、骨缺損修復(fù)生物材料調(diào)控干細(xì)胞成骨分化

生物材料可通過攜帶生長因子、小分子化合物、基因、外泌體等成骨誘導(dǎo)藥物提高成骨誘導(dǎo)性能和骨再生效果。同時，材料表面形貌和成分的改性亦能影響干細(xì)胞的生物學(xué)行為。

1．材料載藥調(diào)控干細(xì)胞分化：

材料作為藥物緩控釋載體，需滿足以下條件：①藥物能分散在支架材料中；②藥物能以一定的速率釋放出來；③支架材料在長時間內(nèi)能保持穩(wěn)定，同時也可以保護(hù)藥物的活性[16]。通過對生物材料的改造，有望控制藥物的釋放速率、持續(xù)時間，甚至?xí)r空定量釋放所需要的藥物以優(yōu)化骨再生效果。還可以靶向設(shè)計以投遞到指定的組織細(xì)胞，能有效提高藥物利用效率并減少全身性不良反應(yīng)[17]。

組織工程實踐中細(xì)胞因子常與支架材料聯(lián)合使用以提高骨再生效率。骨形成蛋白2（bone morphogenetic protein，BMP-2）和血小板衍生生長因子（platelet-derived growth factor，PDGF）-BB等生長因子是骨再生中常用的生長因子，這些生長因子可以通過不同的信號通路促進(jìn)干細(xì)胞的成骨向分化，提高體內(nèi)骨再生效果。其中，BMP-2是公認(rèn)的成骨誘導(dǎo)能力最強(qiáng)的生長因子，其不僅可以誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞通過軟骨內(nèi)骨化過程參與成骨，還可以募集成骨細(xì)胞或誘導(dǎo)成肌細(xì)胞甚至成纖維細(xì)胞等向成骨細(xì)胞分化，生物材料緩釋BMP-2用于骨再生已有大量基礎(chǔ)及臨床研究[18,19]。但BMP-2的使用存在一定的過度成骨風(fēng)險，造成新生骨組織范圍不可控和結(jié)構(gòu)不規(guī)則[20]；Nell-1是新近發(fā)現(xiàn)的一種可導(dǎo)致顱縫早閉的分泌型蛋白，它能促進(jìn)骨膜來源成骨細(xì)胞的成骨分化和加速礦化以調(diào)控顱骨發(fā)育過程中膜性成骨過程[21]，盡管其成骨效果總體上稍弱于BMP-2，但其誘導(dǎo)產(chǎn)生的新生骨組織更接近生理性修復(fù)狀態(tài)，并可將骨再生更好地控制于缺損范圍內(nèi)。

從大塊頜骨再生臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用來看，已有部分個案報道使用膠原、β-TCP、HA等支架材料負(fù)載人重組（recombinant human，rh）BMP-2和rhBMP-7等成骨誘導(dǎo)因子實現(xiàn)缺損修復(fù)。Sandor等[22]借助β-TCP支架負(fù)載rhBMP-2和自體脂肪干細(xì)胞修復(fù)因下頜骨成釉細(xì)胞瘤切除造成的10 cm節(jié)段性缺損，并于10個月后行牙種植功能修復(fù)，提示組織工程技術(shù)在大塊頜骨再生中的巨大潛力。

2．材料表面結(jié)構(gòu)改性對干細(xì)胞分化的調(diào)控：

除負(fù)載生長因子等藥物以誘導(dǎo)干細(xì)胞成骨分化外，微納米結(jié)構(gòu)修飾也可提高生物材料自身的成骨誘導(dǎo)性能。材料的表面形貌結(jié)構(gòu)與組織細(xì)胞直接接觸發(fā)揮作用，材料表面微米結(jié)構(gòu)（如溝槽、凸起等）或納米結(jié)構(gòu)（如各種納米圖案、表面晶體結(jié)構(gòu)差異等）可直接影響細(xì)胞的黏附、鋪展、增殖、遷移及成骨分化等性能[23]。結(jié)構(gòu)形貌修飾發(fā)揮功能的具體作用機(jī)制尚不清楚，可能是其造成了材料表面粗糙度的變化而影響細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的吸附規(guī)律，進(jìn)而調(diào)控干細(xì)胞的生物學(xué)行為[24]。

3．材料離子成分對干細(xì)胞分化的調(diào)控：

對骨修復(fù)無機(jī)支架材料而言，離子成分可通過化學(xué)合成或物理復(fù)合等方法摻入支架中，隨著支架材料降解釋放出來，不僅能作用于材料表面黏附的干細(xì)胞，還可以對支架周圍的干細(xì)胞起到"遠(yuǎn)程"作用。據(jù)報道，鈣離子（Ca）、硅離子（Si）、鎂離子（Mg）、鋅離子（Zn）、鍶離子（Sr）和銅離子（Cu）等均具有一定的刺激干細(xì)胞成骨向分化的能力，其中Si、Mg、Sr和Cu離子還同時具有促進(jìn)血管化的功能。筆者課題組發(fā)現(xiàn)Sr離子一方面直接誘導(dǎo)骨髓干細(xì)胞成骨分化，另一方面通過刺激干細(xì)胞分泌血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和PDGF-BB等成血管誘導(dǎo)因子間接促進(jìn)血管化[25]；Cu離子是通過上調(diào)骨髓干細(xì)胞內(nèi)低氧誘導(dǎo)因子1α的表達(dá)，促進(jìn)BMP-2和VEGF等成骨成血管誘導(dǎo)因子的分泌，提高血管化骨再生效果[26]。由于微納米結(jié)構(gòu)和生物活性離子成分在調(diào)控干細(xì)胞成骨向分化上分別起到近程和遠(yuǎn)程的刺激，二者在誘導(dǎo)骨再生方面具有一定的協(xié)同作用[27]。

來源：口腔空間