组织工程软骨在生长板损伤修复治疗中的作用及特点

doi:10.12307/2021.070

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (28): 4539-4545.doi: 10.12307/2021.070

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组织工程软骨在生长板损伤修复治疗中的作用及特点

王香港，万谦，刘贺，李容杭，张妍，李祖浩，王金成

吉林大学第二医院骨科，吉林省长春市 130041

收稿日期:2020-10-15 修回日期:2020-10-17 接受日期:2020-11-25 出版日期:2021-10-08 发布日期:2021-05-21
通讯作者: 王金成，主任医师，教授，博士生导师，吉林大学第二医院骨科，吉林省长春市 130041 李祖浩，博士，吉林大学第二医院骨科，吉林省长春市 130041
作者简介:王香港，男，1997年生，汉族，吉林大学白求恩第二医院在读硕士，主要从事生长板损伤修复的研究。
基金资助:
国家自然科学基金(82001971)，项目负责人：刘贺

Role and characteristics of tissue-engineered cartilage in the treatment of growth plate injuries

Wang Xianggang, Wan Qian, Liu He, Li Ronghang, Zhang Yan, Li Zuhao, Wang Jincheng

Department of Orthopedics, Second Hospital of Jilin University, Changchun 130041, Jilin Province, China

Received:2020-10-15 Revised:2020-10-17 Accepted:2020-11-25 Online:2021-10-08 Published:2021-05-21
Contact: Wang Jincheng, Chief physician, Professor, Doctoral supervisor, Department of Orthopedics, Second Hospital of Jilin University, Changchun 130041, Jilin Province, China Li Zuhao, PhD, Department of Orthopedics, Second Hospital of Jilin University, Changchun 130041, Jilin Province, China
About author:Wang Xianggang, Master candidate, Department of Orthopedics, Second Hospital of Jilin University, Changchun 130041, Jilin Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 82001971 (to LH)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
软骨组织工程：是利用干细胞技术和机械技术制备具有生物活性的三维支架，植入软骨缺损部位，可以有效改善损伤处的软骨组织再生微环境，促进软骨细胞再生和细胞外基质积聚，从而使受损的软骨组织得到修复，达到治疗的目的。
支架：是具有三维结构的软骨组织工程支架，通常具有相互连通的孔隙结构，植入缺损部位，既能够填补生长板处的缺损，提供机械支持，也具有良好的生物相容性，为干细胞和活性物质发挥功能提供物质载体，在生长板的损伤修复中起着积极作用。

背景：生长板调控着长骨纵向生长，如果发生损伤并导致骨桥形成会使长骨生长停滞，造成患肢成角畸形，而目前临床治疗方法效果不理想，用软骨组织工程制备的支架为临床治疗带来了希望。
目的：介绍生长板的生理结构与功能，讨论并总结软骨组织工程技术在生长板损伤治疗中所取得的进展。
方法：作者以“Growth plate，Physis，Physeal，Scaffold，Cartilage tissue engineering，生长板，骺版，支架”为关键词，检索2000至2020年期间PubMed、Web of Science、CNKI和万方数据库中的相关文献，初检文献292篇，筛选后对65篇文献进行分析。
结果与结论：在生长板损伤动物模型中，软骨组织工程支架表现出很好的治疗效果。具有生物活性的支架既填补了缺损、抑制骨桥形成、减轻了患肢的成角畸形，又诱导间充质干细胞分化为与生长板生理结构类似，呈柱状规则排列的软骨细胞。对众多实验结果进行总结发现，应用间充质干细胞联合适当的软骨诱导因子(如转化生长因子β、胰岛素样生长因子1等)可以促进软骨细胞大量生成并且排列有序，再生的软骨组织可以发挥生长板的正常功能，刺激长骨继续生长。另外，作为细胞黏附和生长因子缓释的载体，软骨组织工程支架应具有一定机械强度和良好的生物相容性，以往实验所用的单一天然生物材料或者合成高分子材料存在一定的缺点，尝试将两者结合制备成复合材料支架效果更好，但应用于临床治疗还需要更多的实验研究与探索。

https://orcid.org/0000-0001-7994-7763 (王香港)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 软骨, 材料, 生长板, 软骨组织工程, 支架, 间充质干细胞, 软骨细胞, 细胞外基质, 综述

Abstract: BACKGROUND: The growth plate regulates the longitudinal growth of long bones. Once damaged and replaced by bony bar formation, it will cause length discrepancy and angular deformity. Considering the unsatisfactory outcome of clinical treatments, it is potential for cartilage tissue engineering scaffolds in treatment of growth plate injuries.
OBJECTIVE: To introduce the physiological structure and functions of the growth plate, and discuss and summarize the progress of cartilage tissue engineering technology in the treatment of growth plate injury.
METHODS: The databases of PubMed, Web of Science, CNKI, and Wanfang were retrieved with “growth plate, physis, physeal, scaffold, cartilage tissue engineering” as key words in English and Chinese to collect relevant articles published from 2000 to 2020. Initially, 292 articles were retrieved, and 65 articles were selected for further analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: Cartilage tissue engineering scaffolds perform well in treatment of growth plate injuries in animal models. The bioactive scaffold not only fills the defect, inhibits the formation of bone bridge, reduces angular deformity of the affected limb, but also induces the differentiation of mesenchymal stem cells into chondrocytes which are arranged in a columnar regular structure similar to natural growth plates. Many experimental results have found that the application of mesenchymal stem cells combined with appropriate cartilage inducing factors, such as transforming growth factor-β, insulin-like growth factor-1, can promote chondrocytes regeneration and arrange them in order. Regenerated cartilage tissue plays the normal function of growth plate and allows long bone to grow up. In addition, as the carrier of cells and growth factors, the scaffold in cartilage tissue engineering requires suitable mechanical strength and good biocompatibility. Since there are some shortcomings when natural biomaterials or synthetic polymer materials used alone, it is more effective to use scaffolds made of composite materials. However, to be applied to clinical treatment, more experimental researches are required in the future.

Key words: cartilage, materials, growth plate, cartilage tissue engineering, scaffold, mesenchymal stem cells, chondrocytes, extracellular matrix, review

中图分类号:

王香港, 万谦, 刘贺, 李容杭, 张妍, 李祖浩, 王金成. 组织工程软骨在生长板损伤修复治疗中的作用及特点[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(28): 4539-4545.

Wang Xianggang, Wan Qian, Liu He, Li Ronghang, Zhang Yan, Li Zuhao, Wang Jincheng. Role and characteristics of tissue-engineered cartilage in the treatment of growth plate injuries[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(28): 4539-4545.

图/表（结果） 3

2.1 种子细胞由于受损处的生长板不能提供良好的再生微环境，容易发生骨化和纤维化[20]，为了达到重塑生长板的目的，需要额外加入细胞用于治疗，因此在应用软骨组织工程技术时种子细胞的选取是一个重要问题，考虑到生长板主要由软骨细胞组成，最常用的两种细胞分别是软骨细胞和具有多向分化潜能的间充质干细胞，见表1。

在治疗生长板损伤实验时，骨髓间充质干细胞的表现优异。GULTEKIN等[21]将骨髓间充质干细胞细胞薄层植入家兔胫骨近端生长板缺损处，结果发现骨髓间充质干细胞能够有效抑制受损生长板的骨化，并促进长骨继续生长，见图2A。虽然单纯的骨髓间充质干细胞植入有一定的效果，但是由于生长板损伤处再生微环境较差，治疗效果有限，加入支架和活性物质提供支撑和再生微环境，效果会更好[6]。AZARPIRA等[26]通过切除家兔股骨远端50%的生长板进行造模，在壳聚糖支架上加入骨髓间充质干细胞并将复合支架植入缺损处，3个月后，空白对照组有骨桥形成，提示造模成功；而相比于仅植入壳聚糖支架组，支架与骨髓间充质干细胞细胞结合组的患肢成角畸形明显减轻，显示骨髓间充质干细胞与支架结合能更好地治疗缺损。LI等[23]使用生长板细胞外基质制备的支架搭载自体骨髓间充质干细胞植入家兔生长板缺损处，4，8和16周影像学结果显示，对比空白对照组和单纯支架植入组，含有骨髓间充质干细胞的治疗组家兔患肢成角畸形明显减轻，如图2B。更进一步的研究显示，加入软骨分化诱导因子后，通过定向诱导骨髓间充质干细胞的分化可以更有针对性地治疗软骨类损伤。CLARK等[25]通过使用胰岛素样生长因子1作为活性物质定向诱导骨髓间充质干细胞的分化，以聚乳酸-乙醇酸支架作为载体，植入家兔生长板骨桥形成处，结果显示相较于空白支架组和胰岛素样生长因子1支架组，加入了骨髓间充质干细胞和胰岛素样生长因子1的支架组更好地减轻了患肢畸形，并且组织染色分析显示有更多的新生软骨细胞形成，预示着临床应用时在支架和诱导因子的作用下，骨髓间充质干细胞能更好地治愈生长板损伤，见图2C，D。

2.3.1 天然材料天然材料一般由动物体内分离纯化获得，生物相容性较好，能够为植入细胞提供适宜的再生微环境。最典型的天然材料是生长板处获得的细胞外基质，LI等[23]将生长板切除分离，经过去细胞化得到主要成分为Ⅱ型胶原和糖胺聚糖的细胞外基质，再通过冷冻干燥法制备成支架，实验结果证实这种细胞外基质支架具有一定的孔隙结构，见图3A，B。 2.3.2 合成材料虽然天然生物材料能更好地模拟软骨组织微环境，但是来源有限且制成的支架支撑强度不够，而人工合成的超分子聚合物却能够提供足够的力学强度，并且来源广泛、价格低廉，已被大量应用在软骨组织工程之中[58-59]。在合成高分子中，聚乳酸-乙醇酸能够在体内相关酶作用下通过正常代谢途径被降解为乳酸和乙醇酸[60-61]，是美国食品药品监督管理局批准的药物载体，见图3C，D。

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引言

生长板又名骺板，是位于长骨骨骺与干骺端之间的薄片状软骨组织，在未发育成熟的骨骼系统中，生长板作为长骨的生长发育中心通过软骨内骨化的方式实现长骨纵向生长[1-2]。生长板主要由软骨细胞和细胞外基质组成[3]。根据组织形态和功能的差异，从骨骺向骨干的方向生长板被划分为3个不同的区域：静息区、增殖区和肥大区[4-5]。其中静息区贮存着扁平状的软骨前体细胞，当受到相关激素调控时即可分化为软骨细胞进入增殖区。增殖区内的软骨细胞通过有丝分裂细胞数量不断增多，且呈柱状排列，是细胞外基质(主要是Ⅱ型胶原和蛋白聚糖)的重要生成部位，与长骨生长密切相关。肥大区软骨细胞停止增殖，体积膨胀，并过量生成Ⅹ型胶原，细胞外基质骨化主要在此处发生[6]。
由于生长板主要由软骨和细胞外基质组成，它是长骨最脆弱的部位，当受到创伤、感染、肿瘤等情况时生长板最易被波及，流行病学显示，在儿童骨骼系统损伤中生长板损伤占15%-30%[7]。在临床上遇到生长板损伤时最常用的是Salter-Harris(SH)系统分类法，按照损伤部位和预后情况共分为5型[8]：Ⅰ型损伤横跨整个生长板并使其断裂，发生率约为5%；Ⅱ型损伤面横跨生长板并倾斜穿入干骺端，此种类型的损伤最常见，约占75%；Ⅲ型损伤面穿过生长板并斜入骨骺，发生率约为10%；Ⅳ型损伤面呈纵向由关节面穿入生长板，最后到达长骨干骺端，发生率约为10%；Ⅴ型最罕见，是生长板挤压性损伤，但是也最容易导致骨桥形成。在SH分型中，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型主要损伤生长板上部，会破坏生长板营养血管，容易导致长骨生长停滞、骨桥形成，Ⅰ和Ⅱ型一般损伤下部，很少伤及生长板血供，预后相对较好[9]。在人体中最易发生生长板损伤的部位是手腕、脚踝和股骨远端[6]，腕部生长板损伤尤其是发生在桡骨远端的损伤，经常是由于高强度的体育运动所引起的，当损伤严重导致生长板生长停滞时会造成患者双臂出现明显的长度差异，而患肢角度畸形会使手部力量减弱，以后还有可能发展为手腕关节炎[10]。在膝关节处特别是股骨远端的生长板损伤，对于青少年而言一般后果较严重，患者双下肢会出现较大的长度差异，患肢产生非常明显的角度畸形，这些又会进一步引起患者出现步态障碍、腰痛或早发性关节炎[11]。相比之下，脚踝处胫骨远端生长板损伤所导致的双下肢长度差异较小，而角度畸形会引起患肢的踝关节旋转障碍并降低其生物力学强度[12]。
目前，临床上对于生长板损伤并伴有骨桥形成的治疗效果并不乐观。当骨桥占位小于生长板的50%时，临床将会采取手术切除骨桥并使用脂肪、骨水泥或肌肉等填充缺损，但是由于填充物不能与周围组织紧密结合，因此不良反应较多，预后不好。当骨桥占位超过生长板的50%时，临床医生一般采用矫正手术并拉伸患肢，预后效果较差[13-14]。软骨组织由于缺乏足够的自我修复能力，一旦损伤一般很难愈合[15]，为了改善治疗效果，基于干细胞研究的软骨组织工程技术以支架为载体，搭载干细胞和诱导因子，通过改变受损软骨组织处的再生微环境促进软骨细胞的再生，进而修复损伤[16-17]。近些年软骨组织工程技术发展迅速，随着3D生物打印技术的引进和干细胞研究的不断深入，支架参数更精准可控，已经可以做出与软骨基质机械性能类似的梯度支架，并通过加入特定的生长因子调控干细胞向软骨细胞定向分化[18-19]。应用软骨组织工程支架治疗生长板损伤的成果显著，陆续的实验研究结果显示，基于软骨组织工程技术制备的生物支架能够促进损伤处软骨细胞再生，促进软骨细胞外基质分泌，发挥生长板原有功能，减轻患肢畸形。
该文通过汇总以往软骨组织工程支架治疗生长板损伤的相关研究，总结了制备支架所用的种子细胞、活性因子和支架材料方面的研究进展，并预测未来的研究方向。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

讨论

儿童生长板损伤伴有骨桥形成时往往会造成长骨纵向生长受限，患肢出现成角畸形，不及时治疗的话后果严重。目前临床治疗主要采用骨桥切除手术并植入填充物，治疗效果并不令人满意，随着近些年软骨组织工程快速发展，混合着干细胞、活性因子的可降解组织工程支架表现出良好潜能，有望在不远的将来应用于临床生长板缺损的治疗当中。用于治疗生长板损伤的软骨组织工程支架主要由3部分组成：种子细胞、活性物质和载体支架。对于种子细胞，在实验研究中目前应用最广泛，研究最深入的种子细胞是骨髓间充质干细胞，受益于它的增殖性能和多向分化潜能，在合适软骨诱导因子的作用下能够不断扩增，填补生长板缺损，并且持续分化为软骨细胞，形成与正常生长板类似的层柱状结构，达到重塑生长板的目的。但是，如何确定移植后的骨髓间充质干细胞定向分化为生长板特异性的软骨细胞仍然是一个未解决的问题，目前研究中所使用的鉴定方法主要是通过组织切片观察是否生成生长板特异性的层柱状软骨细胞，以及采用免疫组化来检测软骨相关蛋白如Ⅱ型胶原、软骨蛋白聚糖等的合成分泌情况[64]，来确定骨髓间充质干细胞的分化状态，但这些方法依然存在不足之处，在以后的研究中期待能找到生长板软骨细胞特异性的标记蛋白来明确生长板重塑状态。此外，在已发表的生长板损伤修复相关实验研究中，目前应用的种子细胞主要是骨髓间充质干细胞和软骨细胞，但是考虑到在软骨组织工程中其他种子细胞如胚胎干细胞、诱导多功能干细胞等也被广泛应用，所以，在以后的研究中也需要探究其他种子细胞对于生长板损伤的治疗作用。对于活性物质，研究中应用最多的是软骨相关活性因子转化生长因子β和胰岛素样生长因子1，且具有较好的效果，但考虑到在生长板发育过程中其他生长因子如骨形态发生蛋白2、刺猬蛋白、甲状旁腺激素相关蛋白、脑钠肽、C型钠尿肽等也起到重要的调节作用[65]，而之前的研究很少应用这些活性物质，因此，在未来的研究中也应该尝试这些生长因子单独或联合应用在软骨组织工程支架上对于生长板损伤修复的治疗效果。除此之外，对于载体支架的制备材料方面，因为支架不仅作为种子细胞和活性因子的搭载方式为干细胞增殖分化提供空间，而且要起到支撑体质量和填补缺损的重要作用，所以支架材料不仅要保证无毒无害，也要有一定的机械强度。实验中表现优异的软骨细胞外基质支架虽然很好地模拟了软骨结构，但是不容易获得且价格昂贵，而胶原和壳聚糖等天然生物材料制成的支架则机械强度较低，植入后容易松动变形；与此同时，合成的高分子材料如聚乳酸-乙醇酸、聚己内酯等机械强度虽然较高，但与周围组织的结合强度却不如天然生物材料。所以综上所述，单一材料总有不足之处，要想更好地模拟正常生长板基质结构，达到重塑生长板的目的，选取天然生物材料与合成高分子材料制备的复合型支架也许会是一个更好的办法。然而，在已发表的修复生长板损伤实验研究中，所选用的支架主要还是由单一材料制备而成，而对于复合材料制备支架的治疗效果还缺少相关实验研究证据，所以预测在未来的研究中复合材料支架会得到更为广泛的应用，会有更多的实验来探究复合材料支架在生长板损伤中的治疗效果。
总之，在实验研究中，具有生物活性的软骨组织工程支架很好地改善了生长板损伤处的再生微环境，恢复了生长板功能，治疗效果相比于临床显著提升，为以后临床生长板损伤的治疗提供了新的方法。但是同时近些年的实验研究成果表明，在治疗生长板损伤时，对于软骨组织工程支架所需要的最合适的种子细胞、生长因子与生物材料还没有定论，目前还处于不断探索阶段，期待未来的实验研究继续深入，争取早日应用于临床解决问题。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

组织工程软骨在生长板损伤修复治疗中的作用及特点

Role and characteristics of tissue-engineered cartilage in the treatment of growth plate injuries

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