椎间盘组织工程种子细胞及细胞支架研究进展

达Ⅱ 型胶 原及蛋 白多糖 ｍＲ Ａ ” 。Ｔ ｏａ 等＿ Ｎ ：。 ｈｎｔ ３ 研究证
加 。大量研究证实 ， Ｃ在椎 间盘退变 修复 中具有 良好 ＭＳ 的应用前景 。目前尚缺乏对椎 间盘细胞特征性 表型 的认 识， 尽管 Ｒ ｓｕ ｉ ｄ等 认 为低 氧诱 导 因子一 （ Ｆ １ 可 作 ｂ １ ＨＩ－） 为髓核细胞 的特 征性标 志 ， 但髓 核细胞 会根 据培 养条件 的不同而改变 自身表 型 ， 就缺乏 足够 的手段诱 导 ＭＳ 也 Ｃ 向髓核细胞分化 ， 因此 ＭＳ Ｃ作为椎 间盘组织 工程种 子细 胞， 仍需进一步研究证 实。
植 工程 ， 核 心 内容 包括 椎 间盘 种 子 细胞 、 其 可供 细胞 贴 附 生 长 的细 胞 支 架或 细胞 外基 质 成 分 、 于促 进 组 用
织再 生的 生 长 因子 。种 子 细胞 与细 胞 支 架 是椎 间盘 组 织 工 程 构 建 的起 始 和 关键 ， 关研 究 尚 处 于初 期 阶 相
细 胞 在 壳 聚 糖 凝 胶 内不 易存 活 。 ２ ４ 纤 维蛋 白胶 、 明 质 酸 凝胶 ． 透
胶原类支架 材料包 括胶 原海 绵 、 胶原 凝 胶 、型胶 原 Ｉ 支架 、 去端肽胶原支架 。椎 间 盘细胞 在胶 原 类支 架材 料 内生长 良好 ， 能维持椎 问盘细胞表 型， 表达Ⅱ 胶原 、 白 型 蛋 多糖等基质 成分 。Ｇ ｕ ｅ 等 研究 表 明胶原 凝 胶 内 的 ｒｂｒ 椎间盘细胞生长 良好 ， 细胞形 态呈 圆形 ， 表达Ｉ 、型胶原 型 Ⅱ 及蛋 白多糖 ｍＲ ＮＡ， 而位 于凝胶边 缘 的椎 间盘 细胞 多呈
段 。该 文 就其 研 究进展 作 一综 述 。 Nhomakorabea关 键词
椎 间盘 退 变 ； 织工 程 ； 组 生物 支架 ； 髓核 ； 种子
Ｄ０Ｉ １． ９ ９ ｊｉ ｎ １ ７ —０ ３ ２ １ ． １ ０ ２ ０ ３ ６ ／．ｓ ． ６ ３７ ８ ． ０ ０ ０ ． １ １ ｓ
椎 间盘退 变 主要 表 现 为椎 间 盘 内 细 胞 数 量 减 少 和 功 能降低ｌ ， １ 是腰背痛的主要病 因之一 。早期椎 间盘退变主 ｊ
１ １ 椎 间盘 细 胞 ．
作 为种子细胞 的椎间盘细胞 ， 主要是脊 索细胞 、 纤维 环细胞 、 髓核细胞 。脊索细胞 可促进 髓核细胞增殖 ， 维持 髓核细胞表型， 在维 持髓核 内细胞 数量及 细胞外 基质含
量中起着重要作 用 ， 具有广 阔 的应 用前 景 。正 常髓核 ］ 细胞合成蛋白多糖及Ⅱ 型胶原 ， 是构建椎 问盘组织 工程常 用 的种子细胞ｌ 。脊索 细胞 能上调髓 核 细胞功 能 ， ＿ ６ ］ 促进 蛋 白多糖等细胞外基质（ ｃ 的合成¨ 。但体外 培养 的 Ｅ Ｍ） ７ ］ 髓核细胞 易出现退变 ， 退变的髓核细胞 功能下降 ， 细胞外 基质合成 减少 ， 因此 以髓核 细胞 作 为种子 细胞 需要解 决 体外容易退变的问题 。基 因修饰 可能 是一种 解决 途径 ， 将 Ｔ Ｆｆ 、 ＭＰ 胰岛素样 生长 因子 （ Ｆ 基 因转染至纤 Ｇ －ｌＢ 、 ｔ Ｉ ） Ｇ 维环细胞 ， 能有效提高蛋白多糖 的表达［ 。Ｈ ｈｕ 等嘲将 ８ ］ ｏ ａｓ 犬椎间盘细胞移植到 自体腰椎退变节段 ， 术后 １ ２个月移植 的椎间盘细胞活性 良好 ， 合成正常椎 问盘基质成分 ， 移植节 段的椎间隙高度明显恢复 。Ｇ ｕｅ 等口 研究证实 ， ｒｂｒ 叩 移植的 椎问盘细胞被正常椎问盘基质成分所包绕 ， 与宿主椎间盘 组织重新整合 。尽管椎间盘细胞在治疗椎 间盘退变中疗效
材 料 已用 于椎 问 盘 组 织 工 程 支 架 的 研 究 ， 以胶 原 类 和 藻 酸盐类细胞支架 的应用最为广泛 。
２ １ 胶 原 类 ．
实， 复合于藻酸盐凝胶 内的人纤维环 细胞 与髓 核细胞表 型 稳定 ， 生长 良好 ， 与纤维环细胞相 比， 胶 内髓 核细胞 分泌 凝 的蛋 白多糖／ 胶原 比率 明显 增高。Ｃ ／ 等 将纤维环细 ｈｂ ａ 胞与髓核细胞复合于藻酸盐凝胶 内三维培养 ４周 ， 与椎 间 盘组织培养相 比， 凝胶 内的细胞合成并分泌大量蛋 白多糖 等细胞外基质成分 。尽管大量研究证实椎间盘种子细胞在 藻酸盐生长 良好 ， 然而藻酸盐支架材料力学性能差 ，降解 率低 ， 其生物相容性与其成分及纯度密切相关。 ２３ 琼脂糖 、 ． 壳聚糖 琼脂糖是一种来源 于海 藻 内的线性 高分子 多糖 ， 高 温下为液态 ， 冷却后凝 固成胶状 ， 将压缩载荷 力传递到 可 凝胶 内的细胞 。Ｇ ｋ ｒｃ ｏ ｏｓｈ等 以琼 脂 糖凝 胶作 为 细胞 支架材料 ， 复合猪髓核细胞行 三维培养 ， 向凝胶 间断施加 流体静水压力 ， 结果表 明流体静 水压 能促进 凝胶 内髓核 细胞外基质合成增加 。壳 聚糖 是 半结 晶多 糖衍 生物 ， 由 甲壳素脱 乙酰 基 而得 ， 温 下 为液 态 ， 理 温度 下 为凝 室 生 胶 ， 有 良好 生物相容性 。Ｒ ｕ ｈ ｙ ３ 研究证实 ， 聚 具 ｏ ｇ ｌ 等［３ ｅ ６ 壳 糖 内髓核细胞生长 良好 ， 成大量细胞外 基质 ， 合 而纤维环
・
３ ・ ２
国 际 骨科 学 杂 志
２１ Ｏ Ｏ年 １ 月 第 ３ １卷
第 １ 期
Ｉｔ ｔｏ ， ａ ｕ ｒ ５ ０ ０ ｎ Ｏｒｈ ｐ Ｊ ｎ ａｙ２ ，２ １ ，Ｖｏ．３ ， ． Ｊ １ １ Ｎｏ １
椎 问盘组织工程种子细胞及细胞支架研究进展
孙建 华
摘要
郑 启 新
临床 上 对 椎 间盘 组 织早 期 退 变 尚 无有 效 的 治 疗 手段 。椎 间 盘 组 织 工 程 是 以 细胞 为核 心 的 移
１ 种子 细 胞
生物活性因子如转 化生长因子 １ （ Ｇ －１ 、 骨蛋 ３ Ｔ Ｆ ｆ）成 １ ｌ 白一、 １骨形态发生蛋 白（ ＭＰ 能刺激正常椎间盘细胞合成 Ｂ ） 大量蛋白多糖及Ⅱ 型胶 原等基 质成分＿ ］但退 变椎 间盘 ２ ， 。 细胞对生长 因子 的反应 能力下 降ｌ ， ４ 且单纯 应用 生长 因 ］ 子并不能解决椎 间盘 细胞减 少的 问题 ， 因此补充 椎 间盘 细 胞成 为 必 需 。椎 问 盘 组织 工 程 种 子 细胞 的 来 源 主 要 是 椎 问 盘细 胞 、 骨 细 胞 、 软 间充 质 干 细胞 （ Ｃ 。 ＭＳ ）
移植 ＭＳ Ｃ于鼠椎 间盘退 变模 型， 后证实 ＭＳ 术 Ｃ可 上调
国际 骨 科 学 杂 志
２１ Ｏ ０年 １月 第 ３ 卷 １
第 １ 期
Ｉｔ ｔｏ ， ａｕ ｒ ５ ０ ０ ｏ．３ ，Ｎｏ １ ｎ Ｏｒｈ ｐ Ｊｎ ａｙ２ ，２ １ ，Ｖ １ １ Ｊ ．
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蛋 白多糖基 因的表达 ， 增加细 胞外基质 在髓核部位 聚积 ， 同时移植 的 ＭＳ Ｃ向软骨细胞分化 ， 诱导脊 索细胞数 量增
间盘 组 织 工 程 的 种子 细 胞 ， 尚无 定 论 。
１３ ＭＳ ． Ｃ
ＭＳ Ｃ是骨骼组织 内的原始细 胞 ， 来源 广泛 ， 材方 取 便， 可定 向诱导分化为骨 、 肉、 肌 肌腱等 的组织 细胞 ， 是理 想 的组 织 工 程 种 子 细 胞 。 研 究 ｌ 证 实 ， 低 氧 及 生 物 １ 胡 在 因子如 Ｔ Ｆ￣诱导下 ， Ｃ可 向椎 间盘细胞 分化 ， Ｇ － ＭＳ 在基 因及蛋 白表达上具有髓核细胞 样表型 ， 这是 ＭＳ Ｃ作 为椎 间 盘 组织 工 程 种 子 细 胞 的 理 论 基 础 。同 时 ， Ｃ 可 上 调 ＭＳ 髓核细胞 活性 ， 加 蛋 白多糖 及Ⅱ 增 型胶 原 基质 合成 及分 泌＿ １ 。Ｓｂｊ ａ 。 ｏａ ｍ 等 ｉ 经体外 髓核细胞 与 ＭＳ Ｃ共 培养证 实 ， 核 细 胞 ： Ｃ在 ７ ：５ ５ ：Ｏ时髓 核 细 胞 外 基 质 髓 ＭＳ ５２ 和 （ ５ ）
持 计划 ” Ｎ Ｅ － ５０ ４ ） （ Ｃ Ｔ ｛ ６ ７ Ｉ
合成 明显增加 ， 将异体 ＭＳ Ｃ植入兔 退变椎 间盘 内 ２ ４周 后， 植入 的 ＭＳ Ｃ存活并与内层纤 维环整合 ； 为 ＭＳ 认 Ｃ通 过旁分泌 和 自分 泌等复杂 调节机 制 ， 对椎 问盘退变 发挥 治疗作用 。ｌ Ｍａ ｒ 等 将 ＭＳ ｅ ｉｅ ｔ Ｃ移植 至牛椎 间盘组 织
入 的 Ｈ Ｐ Ｖ细胞存在 ， Ｎ Ｓ 髓核内基质成分 明显增多， 白多 蛋 糖 及Ⅱ 型胶 原 ｍ Ｎ 表 达增 加 。但有 关 Ｈ Ｐ Ｖ 治疗 椎 间 Ｒ Ａ Ｎ Ｓ 盘退变的基础研究较少 ， Ｎ Ｓ Ｈ Ｐ Ｖ能不能作为椎 间盘组 织 工程可靠的种子细胞， 尚需进一步研究论证。
１２ 软 骨 细 胞 ．
２ 细 胞 支 架
细胞 支架为种子细胞生长 、 分化 、 增殖及 基质合 成提 供 良好 的微环境 ， 在椎 间 盘组织 工 程 中至关 重要 。理 想 的椎 间盘组织工程细胞支架材料 ， 应具 备 ： 进种子 细胞 促
生长 、 分化及基 质合成 ； 良好 的生 物相容性 ， 可控 的生 物 降解性 、 附性 ， 黏 能与周 围椎 间盘组 织融 为一 体 ； 符合 椎 间盘正常生理功能 ， 为椎 间盘提供必要 的初始力 学强度 ； 具有一定 的几何 形状 及多 孑 性 ， 利于 营养物 质及 其他 Ｌ 有 信号小分子 的弥散 。 目前 ， 大量 天 然和合 成 的高 聚合 物
要发生在髓核组织， 如髓核细胞凋亡、 髓核含水量及蛋白多 糖含量减少 。临床上对椎间盘早期退变尚无有效 的治疗方 法 。近年组织工程技术在骨科领域 的应用 ， 为早期治疗椎 间盘退变提供 了新思路。椎间盘组织工程两大核心问题为 种 子细胞 与 细胞 支架 。本 文就 其研 究进 展综 述如 下 。
在修复椎间盘 退变 中， 自体 软骨细胞 移植受 到广泛 重视 。临床研究证实 ， 自体 椎 间盘 软骨 细胞 移植 可明显 缓解 因退变引起 的疼痛 。Ｍｅ ｅ等 ｉｌ 。 ｓ 将患者 自体椎 间盘 软骨细胞移植 至椎 间盘退变部 位 ， 术后患 者腰部疼 痛 明 显缓解 ， 功能障碍显著改善 ， 椎问盘高度及 Ｏ ｗ ｓ ｙ ｓ ｅｔ 评分 ｒ 明显高于对 照组 。Ｇ ｎｙ等 ａｅ 。 将体外 培养 的犬椎间盘软 骨细胞回植 于退 变椎 间盘 内， 术后 １ 年组织 学评估 显示 移植软骨细胞保 持分裂 增殖 活性 ， 产生类椎 问盘样 基质 成分 ， 再生椎问盘细胞表 达工 型及Ⅱ 型胶原 ， 间盘高度 明 椎 显高于未移植组 。Ｇ ｒｎｅ ｏｅｓｋ等 ］ 取耳廓 软骨细胞体外培 养并 移植于退变髓 核部位 ， 后 ６ 月组织 学评估 显示 术 个 移植的 自体软骨细胞可在髓核部位存活并产 生透明样软 骨组织 ； 认为 自体软 骨细胞 移植可替 代髓核 细胞并 发挥 髓核 细胞功能 。尽管 关节 软骨 细胞 与髓 核 细胞 、 纤维 环 细胞表型存在差异 ， 但转染了 Ｂ ＭＰ基因的关节软骨细 胞， 在体外复合 培养 中能促进髓 核细胞 表达 蛋 白多糖 及 胶原 等细胞外基质成分Ｉ １ 。非椎 间盘部位的 自体软骨细 胞移植修复椎间盘 退变 的相关研究 较少 ， 能不 能作 为椎