组织工程化软骨修复运动性软骨损伤

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.07.018

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

组织工程建立历史：组织工程学建立的历史可回溯到20世纪80年代，美国Joseph P. Vacanti和Robert Langer教授首先提出组织工程研究探索，并在美国《科学》杂志撰文发表其研究成果。组织工程这一术语是由著名美籍华裔科学家Y. C. Fung教授提出，在1987年被美国国家科学基金委员会确定。在组织工程发展的历史过程中，科学家应用组织工程技术在裸鼠上成功地形成了具有皮肤覆盖的人耳郭形态软骨，是一项重大的突破。裸鼠背上的耳朵标志着组织工程技术可以形成具有复杂三维空间结构的组织器官，显示了组织工程从基础迈向临床应用的广阔前景。

软骨：是胚胎早期的主要支架成分，随着胎儿发育逐渐被骨取代，取代过程一直延续到出生后一段时期。是特化的致密结缔组织，细胞间质坚固而有弹性。在成体内，仅散在分布一些软骨，其作用依所处部位而异。

背景：各种原因引起的运动性软骨损伤非常常见，由于软骨自愈能力欠佳，其损伤后的修复一直以来都是一大难题。

目的：综述组织软骨构建过程中不同类型种子细胞的特点，探讨体外组织工程软骨的构建在修复运动性软骨损伤中的应用。

方法：检索PubMed，万方及CNKI数据库与组织工程化软骨修复运动性软骨损伤，以及组织工程化软构建中干细胞和支材料应用相关的文章。共检索到文献190篇，排除重复性研究，最终纳入47篇进行综述。

结果与结论：骨髓间充质干细胞在不同诱导条件下可以向软骨细胞分化，与脂肪间充质干细胞和脐带间充质干细胞相比，具有更好的软骨细胞分化潜能，但其安全性还待进一步研究。良好的支架材料不仅可以诱导干细胞的分化，也是软骨构建的成功与否的关键，复合材料是今后支架材料研究的发展方向。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

ORCID: 0000-0002-0526-6110(王大鹏)

关键词: 组织构建, 软骨组织工程, 运动性软骨损伤, 组织工程软骨, 软骨缺损, 软骨细胞, 支架材料

Abstract:

BACKGROUND: Sports-induced cartilage injury is very common; due to the poor self-healing capacity of the cartilage, cartilage repair has always been a difficult problem.
OBJECTIVE: To review the features of different seed cells in tissue-engineered cartilage construction and to explore the application of tissue-engineered cartilage construction in the repair of sports-induced cartilage injury in vitro.
METHODS: We searched PubMed database, Wanfang database and CNKI database for articles related to tissue-engineered cartilage repair of sports-induced cartilage injuries, as well as stem cells and scaffold materials used in tissue-engineered cartilage construction. Totally 190 articles were retrieved, and finally 47 articles were included in result analysis after repetitive studies were excluded.
RESULTS AND CONCLUSION: Bone marrow mesenchymal stem cells under different conditions can differentiate into chondrocytes, and have better potential of chondrogenic differentiation compared with adipose-derived mesenchymal stem cells and umbilical cord-derived mesenchymal stem cells. But, their safety still needs to be further studied. Good scaffolds cannot only induce stem cell differentiation, but also be the key to cartilage construction. Composite materials are the future direction of the scaffold research.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

王大鹏，张岚，赵娜. 组织工程化软骨修复运动性软骨损伤[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(7): 1037-1043.

Wang Da-peng, Zhang Lan, Zhao Na. Tissue-engineered cartilage for repair of sports-induced cartilage injury[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(7): 1037-1043.

图/表（结果） 1

2.1 骨髓间充质干细胞骨髓来源的间充质干细胞既有间质细胞，又有内皮细胞及上皮细胞的特征，是一种具备可以自我更新和多分化潜能的前体细胞^[18]。鉴于骨髓来源间充质干细胞由于来源自体，安全性已被证实，目前已有大量体外实验研究证明，在不同诱导条件下可分化为脂肪细胞、骨细胞、软骨细胞等多种组织细胞^[19]。它具有低免疫原性和遗传背景稳定的优势，而且其在体外容易获得和扩增，易于实验室工作的大范围展开，促进其在构建组织工程化软骨修复运动性软骨损伤中广泛的临床应用^[20]。

李丹等^[21]运用模具制备内侧半月板形的聚乙醇酸/聚乳酸支架。抽取犬骨髓，分离培养骨髓间充质干细胞，将其接种于支架材料上，5 d后使用软骨诱导液培养。体外培养6周后，行大体观察、组织学检测及生物力学检测，结果显示细胞材料复合物能够较好地维持半月板三维立体结构苏木精-伊红染色可见典型的软骨陷窝出现，说明成熟软骨组织的形成。生物力学检测显示，新生组织弹性模量达正常半月板组织的12.7%。研究结果说明骨髓间充质干细胞通过体外诱导，以聚乙醇酸/聚乳酸支架为载体，可以体外构建具有完整内侧半月板形态的软骨样组织。

作为软骨组织工程种子细胞，骨髓来源间充质干细胞的安全性是学者关注的问题，也是其临床应用于软骨损伤的理论基础和实践依据。孙鹏浩^[22]通过实验研究发现，体外长期培养条件下，不同比例混合共培养的兔骨髓间充质干细胞及软骨细胞，其原癌基因的表达量为阳性，且随着软骨细胞比例的增多，原癌基因的表达水平提高；体外长期培养条件下，不同比例混合共培养的兔骨髓间充质干细胞及软骨细胞，其上清液中血管内皮生长因子的含量均为阴性。因此，认为体外二维培养条件下，不同比例兔骨髓间充质干细胞与兔软骨细胞共培养，其血管内皮生长因子表达均为阴性，而原癌基因表达为阳性，且表达水平随着软骨细胞所占比例的增多而提高。因此骨髓间充质干细胞与软骨细胞共培养构建组织工程软骨的安全性还有待于进一步研究。

2.2 骨髓间充质干细胞与脂肪间充质干细胞的比较脂肪来源的间充质干细胞与骨髓间充质干细胞在生物学特性上有诸多相似之处，脂肪来源的间充质干细胞是来源于脂肪组织，具有多向分化潜能的干细胞群^[23]。它没有特定的表面标记物，除了CD45以外，与骨髓间充质细胞具有相同的表面抗原，经特定条件诱导，脂肪来源的间充质干细胞有分化为多种器官或组织的细胞的潜能^[24]。脂肪来源的间充质干细胞由于取材时侵害性小、易于培养以及低衰老性已经成为目前研究的热点，已在组织工程化软骨修复运动性软骨损伤临床试验中应用^[25]。近年来，脂肪来源的间充质干细胞已逐渐成为国内外新的软骨组织工程的种子细胞来源。然而目前并没有一种高效的诱导方法被世界公认，外源性生长因子、基因修饰、共培养、生长因子与共培养联合、支架材料等多种手段均可诱导脂肪来源的间充质干细胞向软骨细胞方向分化，但各方法的优劣，诱导分化时的信号通路及新生软骨的性状并未见详细的分析和讨论^[26]。

因此对脂肪来源的间充质干细胞与骨髓间充质干细胞的成软骨分化能力进行了大量的研究。有研究选取3月龄新西兰大白兔，取腹部脂肪，分离提取脂肪干细胞^[27]。取兔双侧股骨，采用贴壁筛选法分离提取骨髓间充质干细胞。对第3代脂肪干细胞和骨髓间充质干细胞进行成软骨诱导，分别对诱导14 d的2种细胞行甲苯胺蓝染色和Ⅱ型胶原免疫组织化学染色。实验结果显示骨髓间充质干细胞原代细胞呈聚集样生长，而脂肪干细胞原代细胞呈单个、散在生长。脂肪干细胞增殖速度要快于骨髓间充质干细胞，倍增时间短于骨髓间充质干细胞。2种细胞成软骨诱导14 d后，均表达糖胺聚糖和Ⅱ型胶原，且骨髓间充质干细胞成软骨诱导后表达Ⅱ型胶原水平高于脂肪干细胞。体外培养的脂肪间充质干细胞和骨髓间充质干细胞均迅速稳定增殖，脂肪干细胞的增殖速度快于骨髓间充质干细胞，骨髓间充质干细胞有更高的分化潜能。

而不同的支架材料和外界刺激对干细胞的增殖分化都有影响，田义等^[28]探讨压力调控对骨髓间充质干细胞和脂肪间充质干细胞两种干细胞在PRF复合生长因子支持下体外成软骨效应的影响(图1)。体外分离培养同一个体兔的骨髓间充质干细胞和脂肪间充质干细胞，经鉴定后诱导形成细胞膜片，分别与其同体PRF膜复合制成骨髓间充质干细胞/PRF、脂肪间充质干细胞/PRF双膜复合体。压力刺激组置于细胞加载装置中施加以120 kPa静压力刺激，每天1 h，结果显示骨髓间充质干细胞成软骨基因表达水平明显高于脂肪间充质干细胞，说明压力对骨髓间充质干细胞的促增殖、促成软骨效应明显强于脂肪间充质干细胞。

人脐带间充质干细胞的发现突破了其他间充质干细胞来源的所有限制，又因其具有高度的自我更新和多向分化能力而日益受到关注^[29]。人脐带间充质干细胞对供者没有影响，除具有丰富的来源，它还具有以下优点，如采集和运输方便，无异体排斥反应等，在体外可成功诱导分化成软骨细胞，是软骨组织工程中理想的种子细胞^[30]。贾艳辉^[31]选取第4代人脐带间充质干细胞进行体外成软骨、成骨、成脂肪诱导，流式细胞术检测细胞表面标志，与软骨细胞外基质支架复合体外构建组织工程软骨，体外成软骨诱导2周后植入裸大鼠背部皮下异位成软骨，4周后取材进行大体观察及组织学分析。研究结果证明人脐带间充质干细胞复合在纤维蛋白凝胶中能在裸大鼠软骨缺损区生成软骨组织。人脐带间充质干细胞复合软骨细胞外基质支架能够修复兔关节软骨缺损；人脐带间充质干细胞复合在纤维蛋白凝胶中，无论诱导组还是未诱导组都能在裸大鼠关节软骨缺损处生成软骨组织；未诱导的人脐带间充质干细胞修复效果优于体外成软骨诱导的人脐带间充质干细胞；体内产生的修复组织16个月后出现不同程度的退变。人脐带间充质干细胞作为软骨组织工程种子细胞具有可行性。人脐带间充质干细胞在体外诱导分化及动物体内移植方面取得了令人瞩目的成就，但人脐带间充质干细胞的研究仍存在亟需解决的问题，如分离方法、培养条件的规范化，如何控制其生长和分化等^[32-33]。

2.3 软骨组织工程用支架材料再生软骨组织的构建大多需要支架材料、种子细胞、生长因子和理化因素的有机结合。作为组织工程的支架材料有着特殊的要求，不仅要为种子细胞提供一个有利的生化环境，还要促进细胞的迁移，利于种子细胞的识别、黏附、增殖及分化^[34]。其中支架材料的功能化至关重要，支架材料的功能化是指材料能够给加载在其中的细胞提供合适的生物活性信号，使细胞维持良好的功能状态，并同时能够在组织的再生过程中随着环境的变化做出相应的响应^[35]。李超^[36]建立了一种功能性微球在软骨组织工程支架材料中的应用体系，在体外仿生并制备出具备如下特征的支架材料：①力学响应性，支架材料应像正常软骨组织一样具有足够强度的粘弹性，能够对外界的力学刺激进行适当的响应。②调控细胞的黏附与增殖，具有特定的的生物活性成份，提供细胞的黏附位点。③调控种子细胞的迁移与积聚，具有环境响应性，可以主动随着环境的变化释放活性成份，调控细胞的迁移。④调控细胞外基质的有序排列，诱导分泌细胞外基质的排列与分布，使其形成类似软骨组织细胞外基质的排列结构。⑤能够紧密与周围组织结合在一起，最终再生出具软骨分层结构的功能化软骨组织。通过深入研究发现该体系对软骨细胞的活性和功能具有积极的影响。这对利用组织工程技术提高软骨组织修复质量具有十分重要的指导意义。

有研究将大鼠脂肪间充质干细胞在藻酸盐凝胶中高密度培养成软骨细胞诱导后，将细胞自凝胶中释放单层高密度培养，研究结果显示大鼠脂肪间充质干细胞原代及传代后呈梭形生长，传代后的细胞呈规则排列漩涡状生长^[37]。第6代次细胞形态仍无明显改变，细胞传代后细胞特性保持较为稳定。大鼠脂肪间充质干细胞的表面标志CD90、CD44阳性，说明其为间充质干细胞来源。脂肪间充质干细胞-藻酸盐微珠成软骨诱导2周后，释放出的细胞行细胞免疫组织化学检测软骨特异性Ⅱ型胶原蛋白的表达，结果呈阳性。经过成软骨诱导后的细胞高密度单层培养，在软骨诱导培养基作用下细胞逐渐聚集形成具有三维形态的软骨组织。说明在藻酸盐凝胶中高密度培养大鼠脂肪间充质干细胞成软骨诱导，再利用凝胶释放的细胞培养形成软骨组织可以作为软骨组织构建的新方法。

有研究用聚谷氨酸苄酯-co-聚谷氨酸改性胶原和壳聚糖，对改性前后的材料进行接触角、体外降解性能、拉伸强度、细胞黏附率及细胞相容性等性能的检测和比较。结果显示随聚谷氨酸苄酯-co-聚谷氨酸含量的增加，聚谷氨酸苄酯-co-聚谷氨酸/胶原、聚谷氨酸苄酯-co-聚谷氨酸/壳聚糖复合材料的降解速度减慢，接触角逐渐减小，聚谷氨酸苄酯-co-聚谷氨酸/胶原复合材料的拉伸强度增加。选用聚谷氨酸苄酯-co-聚谷氨酸质量分数为30%的复合材料，以兔软骨细胞进行细胞黏附率和细胞相容性实验，与无聚谷氨酸苄酯-co-聚谷氨酸的单纯胶原或单纯壳聚糖材料比较，细胞黏附率差异无统计学意义；但兔软骨细胞在聚谷氨酸苄酯-co-聚谷氨酸/壳聚糖复合材料上生长增殖优于其他3种材料。实验结果说明，经聚谷氨酸苄酯-co-聚谷氨酸改性后的壳聚糖和胶原材料，可以调节材料的降解速度,改善壳聚糖亲水性，增加胶原拉伸强度，并且有良好的细胞相容性。其中聚谷氨酸苄酯-co-聚谷氨酸/壳聚糖复合材料具有更好的促细胞增殖特性，可以作为一种新的组织工程软骨支架材料。

在支架材料方面，构建组织工程软骨支架的材料种类繁多，以往研究中多采用聚合物、胶原等材料，而这些材料均不同程度地存在生物相容性差、机械强度不足等问题^[38]。目前，单一成分单独使用较少，难以满足软骨组织工程基本要求，多为复合其他材料联合应用^[39]。将两种或两种以上不同的具有互补特性的生物材料，按一定比例和方式进行复合，可以结合各自的特性更好的构建组织工程软骨，弥补了单一天然材料和合成材料存在诸多缺点^[40]。由此设计构造出既能提供足够空间的支架作用，又有利于细胞黏附生长，满足软骨组织工程的复合支架材料是今后支架材料研究的主要方向^[41]。

有研究人员因明胶基组织工程支架材料存在力学性能低、生物相容性差、降解速率难以控制等缺陷，通过添加聚磷酸钙纤维和羟基磷灰石改善明胶支架材料的性能^[42-43]。同样有学者应用异体微粒软骨脱细胞基质与纤维蛋白凝胶结合作为可注射性支架材料，进行体内构建良好可塑性和生物特性的组织工程化软骨，研究证实含微粒脱细胞软骨基质实验组表现出更佳的生物学性能，由此可见将异体微粒软骨脱细胞基质与纤维蛋白凝胶结合，可以作为良好的可注射性复合支架材料应用于组织工程化软骨的构建^[44-45]。

参考文献

[1] Mano JF, Reis RL.Osteochondral defects: present situation and tissue engineering Redman SN, Old?eld SF, Archer CW.Current strategies for articular cartilage repair.Eur Cells Mater. 2005;9: 23-32.

[2] Michael A, Pasquale R, Daniel AG. Defining the challenge: The basic science of articular cartilage repair and response to injury. Sports Med Arthr. 2003; 11(3):168-181.

[3] Ivan Martin, Sylvie Miot, Andrea Barbero, et al.Osteochondral tissue engineering.Journal of Biomechanics. 2007;40: 750-765.

[4] Kramer J, Hegert C, Guan K. Embryonic stem cell- derived chondrogenic differentiation in vitro. Activation by BMP-2 and BMP-4.Mech Dev. 2000;92(2):193-205.

[5] Gobbi A, Nunag P, Malinowski K.Treatment of full thickness chondral lesions of the knee with microfracture in a group of athletes.Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc.2005;13:213-221.

[6] Erickson GR, Gimble, JM, Franklin DM, et al. Chondrogenic potenial of asipose tissue derived stromal cells in vitro and in vivo. Biochem Biophys Rescommun.2002;290(2):763-769.

[7] McCulloch PC, Kang RW, Sobhy MH, et al.Prospective Evaluation of Prolonged Fresh Osteochondral Allograft Transplantation of the Femoral Condyle.Am J Sports Med.2007;35(3):411-420.

[8] Cheung HY, Lau KT, Lu TP,et al.A critical review on polymer-based bio-engineered materials for scaffold development.Composites: Part B.2007;38(3):291-300.

[9] Cross AE, Agnidis Z, Hutchison CR.Osteochondral defects of the talus treated with fresh osteochondral allograft transplantation.Foot Ankle Int.2001;22(5)385-391.

[10] Buma P, Pieper JS, van Tienen T, et al. Cross-linked type I and type II collagenous matrices for the repair of full-thickness articular cartilage defects-A study in rabbits. Biomaterials. 2003;24(19):3255-3263.

[11] Tratting S, Mamisch TC, Pinker K, et al.Differentiating normal hyaline cartilage from post-surgical repair tissue using fast gradient echo imaging in delayed gadolinium-enhanced MRI (dGEMRIC) at 3 Tesla.Eur Radiol.2008;18:1251-1259.

[12] Borrelli JR, Prickett WD, Ricci WM. Treatment of nonunions and osseous defects with bone graft and calcium sulfate.Clin Orthop Relat Res.2003;411(1):245-254.

[13] Hoemann CD, Hurtig M, Rossomach E, et al. Chitosan-glycerol phosphate/blood implants improve hyaline cartilage repair in ovine microfracture defects.J Bone Joint Surg Am.2005;87:2671-2686.

[14] Chevrier A, Hoemann CD, Sun J, et al.Chitosan- glycerol phosphate-blood implants increase cell recruitment, transient vascularisation and subchondral bone remodeling in drilled cartilage defects.Osteoarthritis Cartilage. 2007;15:316-327.

[15] Li XD, Jin L, Balian G, et al. Demineralized bone matrix gelatin as scaffold for osteochondral tissue engineering. Biomaterials.2006;27(11):2426-2433.

[16] Fragonas E, Valente M, Pozzi-Mucelli M, et al.Articular cartilage repair in rabbits by using suspensions of allogenic chondrocytes in alginate.Biomaterials.2000;21:795-801.

[17] Xie L, Cao JL, Yue Y, et al. Study on the effect of T-2 Toxin and selenium on CD44 expression in the cultured human fetal chondrocytes in vitro. Acad J XJTU. 2003;15(1):78-81.

[18] Grande DA, Mason J, Light E, et al.Stem cells as platforms for delivery of genes to enhance cartilage repair.J Bone Joint Surg Am.2003;85-A(suppl 2):111-116.

[19] Chen JH, Chu YL, Cao JL, et al. T-2 toxin induces apoptosis, and selenium partly blocks, T-2 toxin induced apoptosis in chondrocytes through modulation of the Bax/Bcl-2 ratio. Food Chem Toxicol.2006;44(4):567-573.

[20] Cao PH, Cao JL, Cao LM, et al. The effect of Nivalenol on the metabolism of hyaluronic acid.Foreign Med Sci-Sect Medgeography.2007;28(2):94-96.

[21] 李丹,周广东,刘浥,等.骨髓间充质干细胞体外构建组织工程化半月板[J].组织工程与重建外科杂志,2013,(5): 251-255.

[22] 孙鹏浩.软骨细胞和骨髓间充质干细胞体外共培养的成瘤危险性的研究[D]. 江苏:东南大学,2014.

[23] Zhao F, Ma T. Perfusion bioreactor system for human mesenchymal stem cell tissue engineering: dynamic cell seeding and construct development. Biotechnol Bioeng.2005;91(4): 482-493.

[24] Csaki C,Matis U,Mobasheri A,et al. Chondrogenesis, osteogenesis and adipogenesis of canine mesenchymal stem cells: a biochemical,morphological and ultrastructural study. Histochem Cell Biol. 2007;128:507-520．

[25] Ma YL, Bryant HU, Zeng Q.New bone formation with teriparatide [human parathyroid hormone(134)]is not retarded by long term pretreatment with alendronate, estrogen, or raloxifene in ovariectomized rats. Endocrinology.2003; 144 (5): 2008-2015.

[26] Ponticiello MS,Schinagl RM,Kadiyala S,et al.Gelatin basedresorbable sponge as a carriermatrix for human mesenchymal stemcells in cartilage regeneration therapy.J Biomed M ater Res.2000;52(2):246-255.

[27] 安荣泽,赵俊延,王兆杰.脂肪干细胞与骨髓间充质干细胞成软骨能力的比较[J].中国组织工程研究,2013,(32): 5793-5798.

[28] 田义,赵萤,陈慧,等.压力调控下骨髓间充质干细胞与脂肪干细胞成软骨能力的比较研究[J].牙体牙髓牙周病学杂志, 2014,24(2):76-82.

[29] Katsuko S. Furukawa, Katsuaki Imura, Tetsuya Tateishi,et al.Scaffold-free cartilage by rotational culture for tissue engineering.J Biotechnol. 2008; 133(1):134-145.

[30] De Franceschi L,Grigolo B,Roseti L,et al. Transplantation of chondrocytes seeded on collagen-based scaffold in cartilage defects in rabbits.J Biomed Mater Res A.2005;75(3):612-622.

[31] 贾艳辉.人脐带间充质干细胞复合软骨细胞外基质支架修复兔膝关节软骨缺损[D].北京:中国人民解放军军医进修学院, 2013:1-90.

[32] Hsu SH,Chang SH,Yen HJ,et al.Evaluation of biodegradable polyesters modified by type II collagen and Arg-Gly-Asp as tissue engineering scaffolding materials for cartilage Regeneration. Artif Organs. 2006;30 (1): 42-55.

[33] Vsita R,Shanmugam IK,Katt DS,et al.Improved biomaterials for tissue engineering applications: surface modification of polymers.Curr Top Med Chem. 2008;8(4):341-353.

[34] Blaker JJ, Maquet V, Jér me R,et al.Mechanical properties of highly porous PDLLA/Bioglass composite foams as scaffolds for bone tissue engineering.Acta Biomater.2005;1(6):643-652.

[35] Gratz KR,Wong VW,Chen AC,et al.Biomechanical assessment of tissue retrieved after in vivo cartilage defect repair: tensile modulus of repair tissue and integration with host cartilage.J Biomech. 2006;1: 138-146.

[36] 李超.功能性微球在软骨组织工程支架材料中的应用[D].北京:北京大学,2013.

[37] 石业华.脂肪间充质干细胞成软骨组织诱导的新方法[D].山东:山东大学, 2014.

[38] Montembault A, Tahiri K, Korwin-Zmijowska C, et al. A material decoy of biological media based on chitosan physical hydrogels: application to cartilage tissue engineering. Biochimie.2006;88:551-564.

[39] Madry H,Zurakowski D, Trippel SB. Overexpression of human insulin-like growth factor-1 promotes new tissue formation in an ex vivo model of articular chondrocyte transplantation. Gene Ther.2001;8:1443.

[40] Mauney JR, Sjostorm S, Blumberg J, et al. Mechanical stimulation promotes osteogenic differentiation of human bone marrow stromal cells on 3-D partially demineralized bone scaffolds in vitro. Calcified Tissue International. 2004;5:458-468.

[41] Camarero-Espinosa S, Rothen-Rutishauser B, Weder C, et al.Directed cell growth in multi-zonal scaffolds for cartilage tissue engineering.Biomaterials. 2015;74: 42-52.

[42] Chang CH, Lin FH, Lin CC, et al.Cartilage tissue engineering on the surface of a novel gelatin calcium phosphate biphasic scaffold in a double chamber bioreactor. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2004;2:313-321.

[43] Hutmacher DW,Sittinger M,Risbud MV.Scaffold-based tissue engineering: rationale for computer-aided design and solid free-form fabrication systems.Trends Biotechnol.2004;22(7):354-362.

[44] Stevens MM, Marini RP, Schaefer D. In vivo engineering of organs: the bone bioreactor. Proc Natl Acad Sci USA.2005;32:11450-11455.

[45] Fuchs JR,Pomerantseva I,Ochoa ER,et al.Fetal tissue engineering:in vitro analysis of muscle Constructs.J Pediatr Surg.2003;38(9):1348-1353.

[46] Guo XD,Du JY,Zheng QX,et al．Neocartilage formation in vitro using transduced mesenehymal stem cells cultured on biomimetic biodegradable polymer scaffolds．Zhongguo YiXue KeXue Yuan XueBao. 2001;4:373-377.

[47] Rougraff BT, Kling TJ. Treatment of active unicameral bone cysts with percutaneous injection of demineralized bone matrix and autogenous bone marrow.J Bone Joint Surg Am.2002;84-A(6):921-929.

引言

软骨损伤无论在运动员，还是普通人群中发病率都相当高，日常生活中不慎扭伤、局部暴力撞击以及随年龄的退变，都有可能造成软骨损伤。而运动性软骨损伤是在体育运动中最常见的运动性疾病之一，且随着竞技水平的提高及全民健身运动的开展，运动性软骨损伤的人数在逐年增加，运动不当或运动过度都易磨损软骨^[1]。与人体的其他部位不同，软骨组织没有神经，一旦受伤或者磨损后，不会有疼痛的感觉，所以容易被忽视^[2]。相关研究显示我国骨关节炎发病率为3%，每年有近千万的新增软骨损伤患者^[3-4]。

软骨是一种光滑的、弹性极高的一种物质，它覆盖在关节表面，可以保障关节运动在关节活动中起重要作用^[5]。由于软骨损伤后自身没有修复功能、再生能力较差，治疗难度大，软骨损伤后愈合情况主要取决于治疗，所以其损伤修复的研究是运动医学领域研究的热点^[6]。在临床及实验研究中有很多治疗方法，如自体、异体软骨移植，机械人工器官替代等对运动性软骨损伤进行修复^[7]。以往研究表明，自体软骨移植适合移植的软骨数量严重不足，无法满足缺损面积较大的患者，人工关节在生物和力学上仍有许多缺陷，且其耐磨性一般不会超过15年，对年轻患者不合适，应用同种异体软骨移植时除具有强烈的免疫排斥，还增加了传播疾病的危险可能^[8]。已有文献报道传统治疗方法即使能够修复软骨损伤，而修复组织的组成、结构和力学特性与正常关节软骨有明显区别^[9]。因而软骨损伤的修复是一个长期困扰的医学难题，现今尚无一种修复材料在生物学特性方面能够达到自体组织的水平。

随着细胞生物学和材料科学的迅速发展，组织工程技术是未来临床医学由替代向重建发展提供新思路。采用组织工程的方法构建生物特性与正常关节软骨相似的组织工程软骨已经成为运动性软骨损伤修复的热点之一^[10]。组织工程技术最大的优势就是形成了具有生命力的活体组织，避免了传统治疗方法的缺陷^[11]。在组织工程软骨的构建中，软骨细胞最理想的种子细胞，但近年来的研究发现其作为运动性软骨损伤细胞治疗的种子细胞，在软骨细胞来源和体外培养条件下维持软骨细胞表型等方面有很多难题，如存在供区并发症、软骨细胞的去分化和生命周期有限等问题，目前尚难于解决，这引导人们研究其他类型的种子细胞^[12]。由于近20年干细胞在结缔组织工程中得到应用，已经在动物模型中显示了良好的软骨修复潜能，成为组织工程化软骨理想的种子细胞来源^[13]。

优化出理想的种子细胞是软骨构建的关键，也是保证软骨组织工程学持续性深入研究的前提^[14]。在构建组织工程化软骨和应用研究中，理想的种子细胞应具备来源充足、取材方便，对机体或供区损伤小；有高的转化及增殖传代能力，从而满足日益扩大的来源需求；与支架材料接种后能保持增殖能力和较高的黏附率；植入受区后能高稳定表达软骨细胞表型；临床应用的生物安全性要求保证无明显的免疫原性与致瘤性等潜在危险，因此理想种子细胞的选择仍是需要攻克的难题之一^[15]。近年来，干细胞成为种子细胞来源的又一选择，引起了组织工程界的广泛关注。干细胞作为种子细胞，具有多向分化能力及增殖能力，来源稳定，传代能力强，可分化为软骨细胞^[16]。目前用于软骨组织工程的干细胞很多，但各有其利弊，需要进一步深入研究以明确每种干细胞的优点和不足，这对于软骨构建的成功与否起着至关重要的作用^[17]。文章综述组织软骨构建过程中不同类型种子细胞的特点。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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延伸阅读

1.此问题的已知信息：由于软骨损伤后自身没有修复功能、再生能力较差，治疗难度大，采用组织工程的方法构建组织工程软骨已经成为软骨损伤修复的热点之一。

2.文章增加的新信息：文章检索近年来关于组织工程化软骨的构建及应用的研究成果及动物实验相关文献，分析组织工程软骨构建中种子细胞的特点及向软骨组织分化的可能性，干细胞向软骨细胞定向分化的影响因素，生物支架材料的选择及复合生物支架材料的应用优势等。探讨体外组织工程软骨的构建在修复运动性软骨损伤中的应用。

3.临床应用的意义：目前用于软骨组织工程的干细胞很多，但各有其利弊，需要进一步深入研究以明确每种干细胞的优点和不足，这对于软骨构建的成功与否起着至关重要的作用。

理想的干细胞和支架材料是组织工程软骨构建的关键，骨髓间充质干细胞，脂肪间充质干细胞和人脐带间充质干细胞在一定诱导条件下具有分化为脂肪细胞、骨细胞、软骨细胞，可作为软骨组织工程种子细胞，良好的支架材料有利于干细胞的分化和迁移，将多种材料复合可结合材料各自的特性构建组织工程软骨是目前的发展方向。

微环境：是对细胞增殖、分化产生影响的周围结构和成分,组织工程软骨构建中种子细胞的微环境由支架材料、生长因子和理化因素构成，这些因素的有机结合，不仅要为种子细胞提供一个有利的生化环境，还要促进细胞的迁移，利于种子细胞的识别、黏附、增殖及分化。改善干细胞微环境对利用组织工程技构建组织工程软骨有重要意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程