脂肪干細胞在骨、軟骨組織工程中的研究進展

http://www.apsc.com.hk/chi/placenta-hk.htm

組織工程技術的興起和迅猛發展為組織缺損的修復重建帶來了新的治療途徑。近年來許多研究表明，脂肪干細胞(ADSCs)具有向脂肪、骨、軟骨、肌肉、內皮、造血、肝、胰島和神經等多種細胞方向分化的多分化潛能，因其體內分布廣，取材創傷小，細胞獲得量大，是一種理想的種子細胞。本文就其在骨、軟骨組織工程中的進展做一綜述。 1成骨細胞潛能以及體內研究 在脂肪干細胞的研究中，開展最早、研究最多、結果比較肯定的是其向成骨方向的誘導分化。常用的體外成骨誘導劑有地塞米松、抗壞血酸、β-甘油磷酸納。這些被認為是誘導間葉祖細胞向成骨細胞分化的定向誘導基-稱為osleogenicmedium(OM)。經誘導后，脂肪干細胞表面形成突起，形態類似于體內的成骨細胞，用茜素紅染色，可見細胞內現了鈣小結，并表達堿性磷酸酶(alkalinephosphatase, ALP)和I型膠原(collagen-I)。若在培養基中加入成骨蛋白-1 Osteogenic protein-1 (OP-1)可以顯著地促進鈣化結節和骨橋蛋白的形成。研究者還利用基因轉染技術在干細胞內轉入目的基因(即將干細胞同時作為種子細胞及基因載體)，通過基因分析表明核結合因子A1可以抑制脂肪干細胞向脂肪細胞分化，而促進其成骨細胞分化。Dentin sialophosphoprotein (DSPP)高表達的脂肪干細胞高表達早期成骨細胞標志物(Msx1, Msx2, Lhx7 and Pax9)和與礦化有關的基因(Cbfa1,Osx, BSP, OCN and DMP1),而且礦化試驗證明其可以形成鈣化結節。脂肪干細胞成骨潛能的研究目前已不局限在體外誘導分化為成骨細胞方面，還可以利用組織工程技術實現其體內成骨。其中在體內成骨中重要的影響因素就是支架。支架的改善將有利于脂肪干細胞有效地定向分化為成骨細胞。研究者將此種誘導所得的小鼠成骨細胞作為種子細胞放入羥基乙酸(PGA)支架中,植入小鼠體內，經過4~8周時間，可見成骨過程的發生。如將與細胞匹配較好的Demineralized bone matrix (DBM)脫鈣骨基質經1-ethyl-3-(3-dimethyl aminoprop-yl) carbodiimide和Nhydroxysulfosuccinimide交聯后，不僅可以提高DBM的機械特性和穩定性,而且可以促進ADSCs持續增殖和向成骨細胞和脂肪細胞分化。與未含誘導劑的支架相比，含纖維素和膠原質醫用級別聚已酸內酯-磷酸鈣(mPCL-TCP)支架可以更快更有效地促進ADSCs分化為成骨細胞(28天)。最近研究表明在聚乳酸和乙醇酸共聚物羥磷灰石支架,未經體外成骨分化ADSCs經四周即可在小鼠體內有效地分化為成骨細胞。因此這一支架可以持續地釋放有效促進ADSCs成骨細胞分化的有效成分BMP-2達四周。利用這一支架，避免了ADSCs體外長時間的體外成骨細胞分化，以及由此導致ADSCs的基因突變癌化。 組織工程技術主要包括生物材料載體、種子細胞及訊息因子。理想的生物載體材料應具有良好的生物相容性，對細胞和組織等無毒性,能以適當速度被吸收降解，強度適中，利于細胞生長和周圍組織長入。因不同材料對細胞的生長分化和黏附均有不同的影響，不同的細胞對支架的要求也不盡相同，因而種子細胞能否在支架材料上良好生長并表達自身特異性功能取決于二者的適配程度。 目前脂肪干細胞復合支架移植仍處于動物實驗階段，移植后細胞生長變化過程及相關影響因素尚不十分清楚，所用材料主要以天然生物材料為主,與新型組織誘導型材料復合的研究較少，移植存活率不同實驗結果相差很大，其最適材料仍有待于進一步研究與選擇。 2成軟骨細胞潛能以及體內研究 軟骨細胞也是中胚層來源的細胞，其特點是能分泌透明質酸、硫酸軟骨素和硫酸角質素等蛋白多糖，構成軟骨組織的細胞外基質，還能分泌膠原纖維。利用這些特性，ADSC的軟骨分化潛能目前也已得到了廣泛證實。目前對于脂肪來源干細胞向軟骨細胞的分化，大多數研究仍集中于TGF-β1，胰島素樣生長因子(IGF-1)輔以TGF-β1誘導軟骨膜來源的祖細胞向軟骨細胞分化。最近研究發現低濃度hTGF-132(10g/L)輔之以地塞米松、胰島素、維生素C為誘導劑同樣可以誘導ADSCs分化為軟骨細胞。其中轉化生長因子在干細胞向軟骨分化過程中起重要作用。然而軟骨培養基或者轉化生長因子僅僅短暫地誘導軟骨細胞分化。最近研究發現生長分化因子-5(growth and differentiation factor-5,GDF5)，其在軟骨生成中起重要作用，同樣可以誘導ADSCs軟骨分化。但是基因轉入的促軟骨分化效應較軟骨培養基中直接添加效果為差。 目前研究范圍不僅僅局限在體外誘導，而且研究者利用基因轉染技術和組織工程技術用該細胞進行體內軟骨組織形成研究。研究發現， ADSCs同樣可以在體內形成軟骨組織。如將ADSCs經體外培養擴增和轉染hTGF-beta2后，然后種植在聚乳酸和乙醇酸共聚物羥磷灰石支架，最后將黏附有ADSCs PLGA支架植入小鼠關節軟骨缺陷后，四周后即可見表達II型膠原的軟骨細胞樣細胞形成。 同樣研究者報道，將未經誘導的ADSCs和藻酸鈣混合后直接填充在全厚關節軟骨缺損處,四周可見軟骨組織樣物(由大量的細胞和纖維基質組成)，因此未經誘導的ADSCs可以在體內分化形成軟骨組織從而修復全厚關節軟缺損。 2存在問題與展望 目前對ADSCs的成骨成軟骨研究取得了很大進展，但仍有許多問題需要解決和克服：①有待于進一步深化了解ADSCs誘導分化的分子機制，從而可以準確地誘導ADSCs分化為移植所需目的細胞；②ADSCs體外長期培養的安全性評估，從而避免移植入惡化細胞導致腫瘤形成。③合適的支架材料是骨、軟骨組織工程的關鍵,目前還未找到一種理想的支架材料。④移植體動脈硬化仍然是移植的一大限制，并且這一現象可能是由干細胞參與。如何將ADSCs培養成具有三維結構有多種細胞共同構成的移植體更是一項巨大的挑戰。總之，隨著生命科學、系統生物學、生物信息學、分子生物學等多學科的交叉，以及對對ADSCs進一步深入研究，其將在骨組織修復中發揮巨大的作用。 TAG: 臍帶血| 臍帶| 臍帶幹細胞| 脂肪幹細胞| 胎盤幹細胞| 羊胎水| 抗衰老|