骨组织工程种子细胞的研究进展

骨组织工程种子细胞的研究进展

王宁宁，周静

（沧州医学高等专科学校，河北 沧州 061001）

摘 要：创伤、感染、巨大肿瘤的手术切除等导致的大面积骨缺损一直是外科临床急需解决的难题。骨组织工程为骨组织再生修复提供了新思路，也是最有前景的治疗手段之一。种子细胞是骨组织工程技术的3个基本要素之一。干细胞是骨再生中最合适的细胞来源，骨髓基质细胞(BMSCs)、脂肪源性间充质细胞(ASCs)和骨膜源性干细胞(PDSCs)三种主要的细胞类型作为种子细胞，用于成骨分化后形成新的、有功能的骨组织。

关键词：骨组织工程；种子细胞；脂肪源性间充质细胞

创伤、感染、巨大肿瘤的手术切除等导致的大面积骨缺损一直是外科临床急需解决的难题。1993年，Langer和Vacanti首次论述了组织工程，骨组织工程为骨组织再生修复提供了新思路，也是最有前景的治疗手段之一。骨组织工程技术的３个基本要素为种子细胞、支架材料、细胞生长和分化因子。种子细胞应满足以下几个特点：①易获得，易培养，扩增能力强；②低免疫排斥；③可诱导分化成骨。干细胞是骨再生中最合适的细胞来源，其最终特性包括易于获取和获取的程序、丰度、成骨分化潜能和强大的免疫调节特性。本文将常见种子细胞的生物学特性进行综述。

1.骨髓间充质干细胞(BMSCs)

骨髓间充质干细胞是一种异质性的细胞群，可以从骨髓的基质部分获得，通常是通过从髂骨嵴、胫骨近端或肱骨近端进行骨髓抽吸，由于骨髓中几乎没有细胞外基质，轻微的机械破坏很容易将基质和造血细胞从采集的骨髓中分离出来，形成单细胞悬液。从500 mL骨髓中，大约可以获得10万-13万BMSCs。在稳定骨折中注入骨髓间充质干细胞后，它们有助于该处直接骨化愈合。体外扩增的骨髓间充质干细胞群体可以分化为成骨、成软骨和成脂肪的谱系，尽管它们的分化潜能在体外扩增时大大降低了^[1]。与它们在骨折愈合中的作用类似，研究表明，骨髓间充质干细胞具有比成软骨或成脂肪潜能具有更大的成骨潜能。促进骨折愈合的体内研究表明，植入骨髓间充质干细胞在骨折愈合过程中并没有积极促进软骨形成和成骨谱系，而是有助于引导炎症和骨吸收细胞。据报道，这些细胞在体内的成骨能力有很大的供体变异。

2.脂肪源性干细胞(ASCs)

脂肪源性干细胞是一种异质性细胞群，这一干细胞群显示出多谱系分化潜力而受到关注，包括成脂、成骨、成软骨和成肌谱系。ASCs主要特点是脂肪存在于内脏脂肪、皮下脂肪和器官脂肪等多种脂肪组织中，储量丰富，通过抽脂易于获取，处理为均匀的细碎块后很容易在短时间内被酶消化。约1g脂肪组织可产生约200万个细胞，其中10%被证实为ASCs。在分离后，ASCs粘附后在体外可以以比BMSCs高10倍速度进行扩张，且在体外扩增时它们的基因更稳定。此外ASCs还具有免疫优势，因为它被发现对急性移植物抗宿主病具有保护作用，还通过抑制激活的异体淋巴细胞的增殖发挥免疫抑制作用，如果用于异体移植，这可能是一个很有吸引力的特征。在临床前研究中，ASCs被播种到支架上，用于治疗临界大小的小鼠颅骨缺损，有报道称有显著的膜内骨形成和完全骨再生区域，植入细胞的贡献为84-99%。与不含ASCs的支架相比，ASCs在脊柱融合方面也显示了很好的效果，炎症细胞浸润减少，融合效果更好。一项首次使用自体ASCs进行微血管重建的临床研究在结果和初始安全性方面显示出了良好的结果。采用自体ASCs和TCP支架结合BMP-2构建微血管瓣。体外培养8周后，皮瓣内形成成熟的骨结构和血管，移植后缺损愈合。此外，不同解剖部位分离的ASCs分化能力、供体年龄和性别也存在显著差异。因此，尽管ASCs可能有潜力作为一种有吸引力的细胞来源用于骨再生，但似乎它们可能适合膜内骨愈合的稳定骨折。对于所有扩展细胞，广泛和系统的安全性评估，体外扩增ASCs的重复性和临床质量是必要的。

3.骨膜源性干细胞(PDSCs)

骨膜是一层100㎛的薄膜，包住所有未被软骨覆盖的骨外表面。该膜包括与周围的软纤维和肌肉组织相邻的外部纤维层和内部形成层。内层形成层与外骨皮质直接相连，具有高度的血管化，是骨、软骨干细胞的宿主，具有独特的组织构建能力。在健康的骨发育和稳态中，形成层的细胞产生成骨细胞，允许同位骨生长以及与破骨细胞协同的骨重塑。骨折时，骨膜的干细胞大量扩张，随后形成软骨或成骨分化。这导致骨痂的形成，进一步推动骨折愈合。从一克骨膜活检中，大约可以分离出15万个骨干细胞用于体外扩增。骨膜来源的细胞(PDSCs)随后可以从骨膜活检中酶解释放到培养皿中，显示出单细胞来源的克隆群体。在含血清的条件下，hPDSCs的体外扩增潜力高达30倍，细胞呈成纤维细胞样形态，群体倍增时间为55 h。此外，它们在体外和体内的多谱系潜力已经被证实，但培养的hPDSCs不表达端粒酶，而有相对较长的端粒，这可能解释了其在培养扩展时的稳定性。需要注意的是，本地或扩展的hPDSCs不表达软骨形成或成骨特征，但需要特定条件才能向这些谱系分化。无血清条件会使体外扩增hPDSCs的体外和体内潜力的提高。值得注意的是，仅6天的BMP-2体外刺激就足以通过植入该细胞诱导小鼠临界大小的胫骨缺损骨折愈合，这可能与选择特定的骨形态发生蛋白受体表达升高的成骨干细胞群体有关。

骨髓基质细胞(BMSCs)、脂肪源性间充质细胞(ASCs)和骨膜源性干细胞(PDSCs)三种主要的细胞类型作为种子细胞，通常第一步是自体或异体细胞被分离并在体外扩增，以确保有足够的细胞群用于治疗，被诱导成骨分化后播种到生物材料中，现多为掺杂型复合生物材料，达到更成熟的阶段可被植入体内进一步发展。理想情况下，上述因素的选择组合应该创造一个环境，驱动和刺激干细胞形成新的、有功能的骨组织，然后在缺陷部位整合到现有组织中。尽管自从50多年前首次报道了用于骨形成/再生的细胞植入以来，已经进行了大量的研究工作^[2,3]，但迄今为止，只有少数疗法能真正进入临床。

参考文献

[1]Muraglia A, Cancedda R, Quarto R. Clonal mesenchymal progenitors from human bone marrow differentiate in vitro according to a hierarchical model. Jounral of Cell Science. 2000;113 ( Pt 7):1161-6.

[2]赵刚,刘微微,高伟玮,马洁.不同组织来源间充质干细胞体外成骨分化能力的比较研究[J].中国骨质疏松杂志,2017,23(05):561-566+584.

[3]赵胜利,史本超,高浚淮,胡攀勇,于庆贺,闵少雄.组织工程骨血管化中种子细胞的研究进展[J].医学综述,2018,24(20):3971-3976.