组织工程椎间盘方法主要包括支架材料、种子细胞、信号因子(细胞因子、生长因子或力学信号)三要素,目前国内外关于组织工程椎间盘报道的文献较少,研究主要集中在椎间盘种子细胞的培养、支架材料的选择、椎间盘组织的构建等方面
[8-12],其中,支架材料是组织工程椎间盘构建的关键环节。支架材料为细胞吸附、增殖、分化提供适宜的场所,相当于细胞外基质成分。理想的组织工程椎间盘支架材料除了具备良好的生物相容性,良好的孔隙结构,以及适当的降解性能等共性以外,还应该在成分、形状、力学性能上与椎间盘细胞外基质相似
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早期应用于椎间盘组织工程的支架材料有藻酸盐、琼脂糖、透明质酸,以及聚乳酸聚羟基乙酸共聚物等。Iwashina等[14]将兔纤维环细胞和髓核细胞种植于藻酸盐微珠上在低强度脉冲超声刺激下培养,发现纤维环细胞和髓核细胞在支架上增殖代谢。同时作者认为低强度脉冲超声刺激下细胞增殖更快且有更多的蛋白聚糖产生。Shao等[15]将纤维环细胞接种在藻酸盐/几丁质复合支架,发现细胞在支架上生长良好并分泌细胞外基质。赵鑫等[16]用兔骨髓间充质干细胞培养在藻酸盐复合基质上移植到兔椎间盘退化模型,通过MRI等检测发现,实验组椎间隙没有明显的变窄,藻酸盐完全降解,蛋白聚糖与Ⅱ型胶原比对照组明显增多。证明藻酸盐是良好的载体材料。但藻酸盐支架材料在制备工艺与力学性能较理想支架材料差距较大。Abbushi等[17]用浸入血浆的PGA-透明质酸复合物植入兔椎间盘退变模型,取得良好的实验效果。作者认为PGA可诱导软骨生成,基质蛋白的合成,故认为此材料有利于椎间盘术后重建。Shaban等[18]将纤维环及髓核细胞种植在纤维蛋白-聚乳酸聚羟基乙酸共聚物支架上获得良好的培养的效果,研究认为此移植物有利于椎间盘退变的修复。后来支架研究则倾向于应用类似椎间盘细胞外基质的含有胶原和蛋白聚糖成分的材料,如Sato等[19]探讨了利用Ⅰ型胶原膜封闭的蜂窝状Atellocollagen凝胶做支架,这种支架含有Ⅱ型胶原,更接近髓核外基质成分。Le Visage等[20]采用天然细胞外基质的衍生物-脱细胞小肠黏膜下层作为构建组织工程椎间盘的支架材料。Wan等[21]用环状皮质骨脱钙骨基质明胶和聚合材料聚己内酯三醇苹果酸探索制备了纤维环双相弹性支架,取得了良好的实验效果。Alini等[22]探讨利用Ⅰ型胶原/透明质酸复合材料作为支架构建组织工程椎间盘,并分别将髓核细胞和纤维环细胞与之复合,发现这些细胞在该支架上有相似的合成细胞外大分子蛋白多糖和Ⅰ型,Ⅱ型胶原的能力,但该支架的缺点是不能储存大部分的蛋白聚糖,并且整个基质中蛋白多糖分布不均。
另外,载体材料的立体性越来越得到重视,国内外许多研究认为载体的三维立体有利于细胞培养及表型的维持。Gan等[23]将纤维环细胞和移行区细胞在单层培养基条件下培养时发现基因表达水平有变化。Sato等[24]研究发现椎间盘细胞在单层培养环境中呈现贴壁生长,具有明显的分裂生长现象,但经长时间的培养后,细胞会出现去分化现象。而在三维培养环境,细胞能分泌较多的细胞外基质,且能较好地维持细胞的生物学形态。Gruber等[25]用微球三维方式培养椎间盘纤维环细胞获得良好的效果。有学者认为三维立体培养机制可能是立体环境能容纳高密度的细胞黏附,使得纤维环细胞间能够有机会更密切地接触,更容易增加细胞之间的联系,有利于细胞间信号传递,且各种生长因子等细胞外基质成分可良好地固守在细胞附近从而通过某种机制相互作用有关。针对以上问题,本实验以天然骨基质明胶(主要成分含Ⅰ型胶原)为材料制备组织工程椎间盘纤维环支架,评估其作为纤维环支架材料的可行性。
实验采用的猪股骨近端松质骨为天然的多孔结构,用过高压冲洗,氯仿,甲醇脱脂以及二次脱脂等处理去除了孔隙内的脂类及红骨髓,使孔隙相通且利于细胞在支架上的黏附与生长。光镜及电镜下示支架材料孔隙均匀,内部相通,具有了良好的孔径与孔隙率,此结构特点有利于细胞在支架上的营养物质交换及代谢废物的排除,且有足够大的空间储存蛋白聚糖,胶原等成分。此外,支架材料又显示了良好的亲水性,吸水率(409.77± 11.34)%,不仅有利于种子细胞的黏附,还有利于种子细胞从宿主获取营养[26]。其三维立体结构更有利于细胞之间的接触,增加细胞之间的信号传导。
生物力学特性是组织工程支架材料的重要环节。本实验通过HCl脱钙处理,使支架材料软而富有弹性,通过力学性能测试,支架的力学特性良好,弹性模量为 47.75 kPa,初步具备了与体内正常纤维环的相似的力学特性,达到文献报道的人正常椎间盘纤维环力学强度(前方的弹性模量为110.7 kPa,后方的为75.8 kPa)相同的数量级[27],虽然有所差距,但随着纤维环细胞在支架上生长分泌Ⅰ型胶原等基质成分,弹性模量必然逐渐接近正常纤维环。
本实验通过氯化钙,氯化锂等对支架进一步处理,含有的可溶性非胶原蛋白被稀释的盐酸和作为变性剂的浓缩氯化钙、氯化锂浸出,而固有的不溶性的骨形态发生蛋白和其他非胶原蛋白得以保留。进一步模拟了椎间盘纤维环细胞外基质成分,植入体内后DBMG能被很快吸收,释放DMPs和其他活性因子[28-29]。通过脱脂、脱钙、5%TritonX-100处理使支架内细胞裂解,本实验脱细胞流程中未采用胰蛋白酶,是因为其有一定毒性,并对胶原纤维和蛋白聚糖等细胞外基质有破坏作用[30]。而 TritonX-100是一种柔和的除垢剂,并不改变组织的天然结构。苏木精-伊红染色示支架内无细胞残留,并且通过冷冻冻干进一步降低了支架的免疫原性。
闫中胜,等. 新型组织工程椎间盘纤维环支架的制备与性能检测
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综上所述,通过对松质骨进行脱脂脱钙等理化处理制备DBMG,保持了良好的天然孔隙结构,在成分、形状、微观结构、力学性能上与纤维环细胞外基质相似,具备良好的生物相容性。本实验初步证实脱矿脱细胞骨基质环可作为组织工程椎间盘纤维环支架材料,但需要进一步的体外、体内实验加以验证。