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Ⅱ型胶原/透明质酸/6-硫酸软骨素组织工程髓核支架材料的体内外生物学性能研究

黄博  
【摘要】: 腰痛是发病率仅次于上呼吸道感染的一种常见病。此外,腰痛也是致残的主要原因之一。椎间盘退变性疾病通常被认为是导致腰痛的主要原因。异常的应力负荷,遗传易感,降低的细胞活力或者以上三个原因的组合导致椎间盘内细胞外基质成分的改变,进而加速椎间盘生物力学特性的恶化,最终促成椎间盘退变性疾病的发生。 目前治疗椎间盘退变性疾病的方法包括保守治疗和手术治疗。其中保守治疗包括卧床休息,止痛、肌松类药物治疗,局部封闭以及按摩等,然而所有这些治疗方式主要为姑息治疗。常规的髓核摘除和脊柱融合术等手术治疗虽然通过摘除病变的椎间盘组织或者牺牲脊柱局部节段的活动度来换取症状的解除,然而从根本上并没有修复退变的椎间盘组织和恢复椎间盘的生理功能。近年来的人工椎间盘置换虽然展现出良好的应用前景,然而与该技术相关的许多并发症和缺陷依然需要克服。 目前没有任何一种外科治疗手段旨在从根本上解决椎间盘退变所带来的生物学功能丢失。因此,具有生理椎间盘或髓核组织结构和功能的生物学植入物被认为可能是重建退变椎间盘和治疗椎间盘退变性疾病的一种理想替代品。近些年来组织工程学的迅速发展使得应用组织工程化椎间盘治疗椎间盘退变性疾病成为可能。椎间盘组织工程就是通过生物学手段,体外培养构建功能性的椎间盘组织单位并植入体内,进而替代重建原有退变椎间盘的生物功能。在椎间盘的三个解剖组分中(纤维环,髓核,终板),髓核是由随机排列的胶原蛋白纤维,放射状排列的弹性纤维以及蛋白聚糖组成的高度水化的凝胶样组织。其中蛋白聚糖成分可以结合水分子,维持髓核组织的渗透压,因此其在椎间盘承载压力载荷的功能中发挥着重要的作用。此外椎间盘退变性疾病被认为起源于髓核组织中蛋白聚糖和含水量的逐渐丢失,因此目前绝大多数的组织工程椎间盘研究集中在对退变髓核的治疗上。 在组织工程的三个主要组分中(种子细胞,支架材料,信号分子),支架材料扮演着载体的角色,在所植入的体内不利环境中,为种子细胞提供一个临时性的庇护所。此外支架材料必须能够促进种子细胞的粘附,增殖,相关基因的表达以及新的功能性的细胞外基质的合成。目前虽然大量研究探索了应用于髓核组织工程的支架材料,然而几乎没有文献涉及到能够模拟天然髓核内环境的支架材料。由于组织工程支架材料的主要功能是尽量模仿所植入部位的生物学环境,因此用于组织工程髓核的支架材料应该同时包括天然髓核组织的三种主要组分—Ⅱ型胶原,透明质酸和6-硫酸软骨素。根据此原则我们构建了由Ⅱ型胶原,透明质酸和6-硫酸软骨素组成的支架材料,培养兔髓核细胞并接种到该支架材料上,通过体外检测所接种细胞的活性/增殖特性,组织特异性基因的表达和细胞外基质的分泌来评估该支架材料的体外生物活性。此外将体外培养的兔髓核细胞和Ⅱ型胶原/透明质酸-6-硫酸软骨素支架材料复合物植入到兔椎间盘髓核摘除模型中,通过影像学手段(磁共振和X线)分析手术节段椎间隙信号强度和高度的变化,以及对所植细胞材料复合物进行组织学和细胞活力检测来评估Ⅱ型胶原/透明质酸-6-硫酸软骨素支架材料的体内生物学功能。 我们的结果如下:体外实验中,细胞支架材料复合物在培养28天以后,种子细胞仍然能够保持良好的活力和增殖活性,复合物内硫酸化氨基葡聚糖含量显著增加。此外,与单层培养的兔髓核细胞相比,同材料复合培养的种子细胞的Ⅱ型胶原蛋白和蛋白聚糖基因表达水平显著升高,Ⅰ胶原蛋白基因表达水平显著降低。组织学和扫描电镜结果进一步证实了细胞材料复合物内新分泌的细胞外基质的沉积。在体实验结果表明,细胞材料复合物植入体内24周后,同种异体移植的种子细胞仍然存活且有细胞外基质的分泌,从而使得细胞材料复合物植入组的椎间隙高度和信号强度得以维持。总而言之,由于髓核细胞和Ⅱ型胶原/透明质酸-6-硫酸软骨素支架材料复合物令人满意的体外生物学活性和体内再生作用,因而可以考虑将其作为髓核摘除术后退变髓核组织的有效替代物。


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