关节软骨损伤组织工程修复

关节软骨损伤组织工程修复进展

关节软骨的损伤和病变是临床常见疾病，可以发生于任何年龄和性别。由于关节软骨没有血管、神经及淋巴组织，本身不含祖细胞，所以自身修复能力十分有限，一旦发生损伤，会导致关节肿胀和疼痛，加速骨关节炎的进展，必须进行修复或置换，如何有效地修复关节软骨损伤始终是医学界尚待解决的难题之一1。1987 年, 美国国家科学基金会(NSF)在加福利亚举行的专家讨论会上提出了“组织工程”的概念：运用工程科学和生命科学的原理和方法, 从根本上了解正常和病理的哺乳动物的组织结构与功能的关系, 并研究生物学替代物以恢复、维持和改进组织功能。Hunziker将其描述为是一种从结构和功能上重建哺乳动物组织的艺术。内容主要包括：(1) 细胞外基质替代物开发；(2) 种子细胞性质研究；(3) 组织工程化组织对各种病损组织的替代。软骨组织工程技术是在体外培养、扩增软骨种子细胞，并且以较高浓度将其种植于具有良好的生物相容性和降解性的支架材料上构建组织工程软骨，然后植入到组织缺损部位，完成组织的修复和重建。软骨组织工程的最终目的就是得到高质量的修复组织和长期有效的功能，为病人最终解决痛苦。从这种意义上看，组织工程方法是目前治疗关节软骨损伤最有希望的方法，是目前软骨损伤修复研究的主要方面。组织工程软骨的发展大致经历了三个阶段：

1.第一代组织工程软骨技术：骨膜覆盖自体软骨细胞移植。首先通过软骨活检取材后体外分离培养受体自己的软骨细胞，单层培养扩增，将扩增后的细胞再植回到软骨缺损部位。通常取胫骨内侧近端的骨膜，切成与缺损吻合的片状，缝合在缺损边缘，将骨膜移植覆盖缺损处表面以防止软骨细胞露出，自从瑞典的

Peterson开始将自体软骨细胞移植用于临床修复软骨缺损以来，自体软骨细胞加骨膜移植修复软骨缺损的方法，得到了推广2。到2003年3月已经在欧洲和美国的多中心研究中应用到3000多例患者身上。4年随访结果显示股骨髁和滑车的损伤，临床优良率可以达到81-100％，平均85％。研究还表明自体软骨细胞移植的疗效与软骨缺损的部位有关：股骨髁软骨缺损疗效最好，髌骨和滑车软骨损伤疗效最差。这种方法在治疗膝关节局部软骨缺损方面的效果获得了早期的临床证实，但是产生了骨膜片过度生长相关的并发症3, 4。

2. 第二代组织工程软骨技术：胶原膜覆盖的自体软骨细胞移植。较第一代组织工程软骨有所改进。用可降解的I/III型胶原膜包覆着移植的软骨细胞，消除了使用骨膜片产生的缺点。然而仍有不足之处，如缝合导致的广泛微损伤及细胞可能漏出5, 6。

3. 第三代组织工程软骨技术：基质诱导自体软骨细胞移植（MACI）。将软骨细胞直接接种在可降解的I/III型海绵状胶原支架上，使软骨细胞附着在胶原支架上。移植过程中用纤维蛋白胶将附着软骨细胞的胶原支架固定在缺损处。因此，不受使用骨膜片问题的限制，手术方法较第一二代技术简便且省时。软骨细胞附着在支架上不易漏出，同时暴露缺损所需手术切口较小。当前正在进行的长期研究有望显示其长期效果7, 8。

目前一些关节软骨组织的天然成分已被认为具有最好的生物相容性，引起的免疫反应也最小。已应用于临床的支架如：胶原膜支架（Chondro-Gide®,ACI-Maix TM ）、I型胶原凝胶（CaRes）以及透明质烷来源支架（Hyalograft C）均属于医用天然衍生材料。临床实践证明这些天然衍生物材料有很好的生物相容性和细胞的粘附、增殖作用。301医院骨科研究所于2004年开始研制人关节软骨源性海绵

状支架。2007年由仿生学出发，模仿天然软骨的成分制备出软骨细胞外基质源性骨软骨双层支架，用于修复犬膝关节负重区软骨缺损处，取得成功。2008年进一步完善提取天然软骨细胞外基质材料的工艺和流程，用天然软骨细胞外基质材料制备软骨组织工程取向性支架，从生化组成及结构特性上仿生天然关节软骨组织的特点，并与自体骨髓基质干细胞复合修复兔膝关节全厚关节软骨缺损9。我们现在所研制的组织工程软骨是以软骨细胞外基质为材料，采用冷冻取向技术将软骨细胞外基质构建成胶原Ⅱ纤维的排列与正常软骨相近似的取向支架。体外复合软骨细胞及动物植入实验均证明软骨细胞按照取向支架的方向生长。与非取向支架比较，在取向支架中软骨细胞增殖率高1倍。动物实验中，使用取向支架的软骨修复组织中，细胞是柱状排列的，与正常软骨组织十分相近。取向支架软骨修复组织的力学强度明显高于非取向支架。我们创制的组织工程软骨支架，达到了成分、结构及功能三项仿生，达到第四代软骨修复的水平。现在已进入临床应用阶段，初步临床结果显示疗效满意。

参考文献

1. McCarty WJ, Luan A, Sundaramurthy P, Urbanczyk C, Patel A, Hahr J, Sotoudeh M, Ratcliffe A, Sah RL. An arthroscopic device to assess articular cartilage defects and treatment with a hydrogel. Annals of biomedical engineering 2011; 39(4): 1306-1

2.

2. Brittberg M, Lindahl A, Nilsson A, Ohlsson C, Isaksson O, Peterson L. Treatment of deep cartilage defects in the knee with autologous chondrocyte transplantation. The New England journal of medicine 1994; 331(14): 889-95.

3. Peterson L, Vasiliadis HS, Brittberg M, Lindahl A. Autologous chondrocyte implantation: a long-term follow-up. The American journal of sports medicine 2010; 38(6): 1117-2

4.

4. Minas T, Gomoll AH, Solhpour S, Rosenberger R, Probst C, Bryant T. Autologous chondrocyte implantation for joint preservation in patients with early osteoarthritis. Clinical orthopaedics and related research 2010; 468(1): 147-57.

5. Filardo G, Kon E, Di Martino A, Iacono F, Marcacci M. Arthroscopic second-generation autologous chondrocyte implantation: a prospective 7-year follow-up study. The American journal of sports medicine 2011; 39(10): 2153-60.

6. Gooding CR, Bartlett W, Bentley G, Skinner JA, Carrington R, Flanagan A. A prospective, randomised study comparing two techniques of autologous chondrocyte implantation for osteochondral defects in the knee: Periosteum covered versus type I/III collagen covered. The