Advanced liposuction technologies and their potential application in the isolation of adipose-derived stem cells

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.01.022

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Currently, cosmetic liposuction has developed rapidly, but the liposuction for the isolation of adipose-derived stem cells has not been reported.
OBJECTIVE: By evaluating the quantity and viability of stromal vascular fraction, adipocytes and adipose-derived stem cells obtained from different types of liposuctions, to find the advanced liposuction procedures that are most suitable for use in preparation, preservation and clinical application of adipose-derived stem cells.
METHODS: Authors retrieved PubMed database, NIH clinical trial databaseand CNKI full text database for relevant articles using the key words of “adipose-derived stem cells, ADSCs, liposuction, SAL, UAL, PAL, WAL” in English and Chinese, respectively. After eliminating the objective-independent articles and repeating reviews, 50 papers were included for further analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: Suction-assisted liposuction (SAL), ultrasound-assisted liposuction (UAL), power-assisted liposuction (PAL) and water-assisted liposuction (WAL) are four major types of fat-harvesting technologies that can possibly be applied for adipose-derived stem cells isolation. Accumulative evidence suggests that these advanced liposuctions can obtain high quality of adipose tissue/cells, which are good enough for autologous fat grafting. Adipose-derived stem cells that are isolated from lipoaspirate by WAL, SAL and UAL, can be used as autologous cell-assisted lipotransfer and regenerative therapy. In summary, although each of these four types of liposuction technologies has its own advantages and is feasible to be used as autologous fat grafting, systematic comparative studies for viability, chromosome stability and differentiation potentials of adipose-derived stem cells isolated using each collecting method are necessary in order to confirm the future perspectives in adipose-derived stem cells isolation, banking and regenerative repair.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

全文链接：

Key words: stem cells, lipectomy, adipocytes

CLC Number:

R318

Fu Yin-sheng, Zhang Yi . Advanced liposuction technologies and their potential application in the isolation of adipose-derived stem cells[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(1): 131-136.

Figures/Tables 1

2.1 脂肪抽吸术概述脂肪抽取技术大约可以追溯到30年前，德国医生Schrudde首先公布了利用lipexercise(脂肪撕除技术)进行皮下脂肪去除手术的结果，这项技术是皮下剪切术、刮除术和脂肪抽吸术结合体[6]。在19世纪70年代中期，Kesselring和Meyer等外科医生一直在沿用此项技术，但暴露出较多的并发症，如持续性淋巴溢、血肿、皮肤坏疽等，常造成二次手术[7]。1977年Illouz开创了两个关键性技术，一是皮下注射低渗盐水和适量透明质酸酶裂解脂肪组织，二是利用钝头吸管吸取离散的脂肪，开创了钝性和湿性技术，降低出血量，并保护神经血管[8]。1987年Klein发明了肿胀麻醉技术，通过直接注入渗透液进行局部麻醉，避免了全身麻醉过程，减小了并发症的可能性[9]。由此演变出损伤小。出血少、并发症较低的传统吸脂技术，可称为负压吸脂术。随着科学技术的发展，仪器设备的改进，推动脂肪抽取技术进入了一个崭新的时代。超声辅助吸脂技术、激光辅助吸脂技术(镭射辅助吸脂术)、震动辅助吸脂技术、水动力辅助吸脂技术的陆续出现，提高了脂解作用，明显缓解了手术操作者的疲劳程度[10-13]。这些辅助吸脂术的作用效果，并发症，吸出后脂肪组织、细胞存活率等方面将进一步阐述。 2.2 传统负压吸脂技术传统负压吸脂技术是利用肿胀液的直接渗透瓦解脂肪组织，同时提供吸脂部位的局部麻醉，再利用带有钝性吸管的负压吸引器或注射器抽吸脂肪组织。文献表明，传统负压吸脂获得纯化后的脂肪细胞存活率为80%-90%[14]。2001年Zuk等[15]利用常规负压吸脂技术获得脂肪组织样品，进一步试验显示 300 mL的脂肪组织提纯后可获得(2-6)×108的基质血管层细胞，并证实基质血管层细胞中含有具有分化潜能的成体干细胞。Zuk等2001年和 Hattori等2004年研究也公布了相似数据，抽取的脂肪组织中基质血管层细胞含量大约为4×108 L-1[15-17]。据报道这些基质血管层细胞中人脂肪干细胞的比率在1-5% [(4-20)×106 L-1]。Coleman技术是结构脂肪移植中的常用技术，该技术利用直径3 mm左右的钝性套管和10 mL的luer-lok注射器进行脂肪抽吸过程，可以获得较完整的脂肪组织，以保证脂肪移植的成功率。可以说Coleman技术是常规吸脂术的改良技术，2009年Schreml等[18]报道，Coleman技术获取的人脂肪干细胞含量在[(5-20)×106 L-1]，细胞存活率为84.67%，远高于切除术获得的脂肪样品(2×106 L-1，74.29%)。目前也有一些人将注意力转移到脂肪纯化过程的改良，如LipiVage(Genesis Biosystems， Lewisville，TX，USA)脂肪采集系统，在低负压吸引下，脂肪组织进入真空吸管，并直接通过吸管内的过滤装置分离基质血管层细胞、肿胀液和油脂。这样既可以在封闭无菌环境下获得基质血管层细胞，又可以缩短脂肪组织的处理时间[19]，因此可看作是常规负压吸脂技术的改良版。有试验表明LipiVage系统抽取脂肪细胞成活量和胞内酶的活力高于常规方法[20]。Lipokit系统(Medikan international Inc，Korea)系统是包括脂肪抽吸、离心和移植一体化技术。研究表明Lipokit系统抽取的脂肪组织中可以分离出脂肪干细胞，并应用于细胞辅助脂肪移植技术[21]。负压吸脂抽取的脂肪组织可以利用胶原酶消化、离心获取基质血管层细胞，也可以通过全自动分离纯化设备Celution®800/CRS system(Cytori Therapeutics Inc.，San Diego，CA，USA)。Celution系统在欧洲广泛应用于基质血管成分的提取，将脂肪组织注入到Celution系统后，消化及离心过程完全自动完成，最终获得纯净的基质血管层。也有文献显示Celution系统分离后培养的脂肪干细胞具有分化脂肪和成骨的特性，其细胞特点与手动法分离的细胞相当[22-23]。有许多干细胞临床研究采用Celution系统获取基质血管层后培养的脂肪干细胞，如治疗应激性尿失禁、细胞辅助脂肪移植技术隆乳、复杂性肛瘘、下肢慢性溃疡等[14，24-26]。因此改良的负压吸脂技术一直作为一种常规的脂肪干细胞采集方式。 2.3 现代辅助吸脂技术 2.3.1 超声辅助吸脂术 1992年Zocchi 首次提出了超声辅助吸脂术[10]，其主要优势在于增强了吸脂过程中对组织目标的选择性。最初的超声吸脂设备通过一个4-6 mm的钛制探头将声能转化为机械能，声波的频率在不断变化中会瓦解分子间作用力，产生空化效应。在生物机体组织内均含有溶解于液体内的微气泡，超声波能够产生膨胀压缩周期，作用于微气泡使其膨胀、压缩，最终爆裂，促使周围组织内爆胀破，进而乳化脂肪组织。这一过程优先在脂肪组织中完成，而不是肌肉、筋膜、神经组织，因此增强了超声辅助吸脂技术的选择性和组织特异性[10，27]。但是前两代超声辅助吸脂技术的超声波会产生大量的热能，易造成组织灼伤，而且研究表明与负压吸脂相比，超声辅助吸脂技术会造成更多的细胞破碎[28]。而且对患者的伤害更为显著，培训不足或对设备不够熟悉都会导致能量输出过高，增加并发症发生概率，如血清肿、延长痛感、灼伤、硬化、皮肤不平整、色素沉着、延长肿胀时间等[29-30]。改进后的第3代技术在保留原有优势的前提下，降低了这些风险[29]。 VASER(Vibration Amplification of Sound Energy at Resonance)系统(Solta Medical Inc，USA)是第3代超声辅助吸脂技术中最为流行的技术。改进后的VASER系统能够提供脉冲能量，替代了连续能量输出形式，并且在探头外侧形成环绕，在较低的能量输出下能达到更好的破碎效率，而并发症概率大幅度降低[31]。Garcia等[31]的对比试验表明负压吸脂的脂肪抽取物中血红蛋白含量是VASER系统的7.5倍。而且在背部和侧臀部位进行的脂肪抽取过程中，出血前超声辅助吸脂技术的脂肪吸取量是负压吸脂的3.1倍。此项研究说明超声辅助吸脂技术在大量吸脂或紧凑、富含纤维部位的吸脂手术中，如背部、侧臀，而且能够有效降低出血量[31-32]。有研究表明，利用超声辅助吸脂技术抽取的脂肪组织中含有脂肪干细胞，通过对比试验显示超声辅助吸脂技术和负压吸脂获取的脂肪干细胞体外增殖能力，体外成骨分化能力及成骨基因表达水平均无显著差异，说明超声能量不会影响脂肪干细胞的成骨潜能[33]。另外有数据显示，作为第3代超声辅助吸脂技术技术的VASER系统，采集脂肪组织中新鲜脂肪细胞存活率为85.1%，其中由不同基质血管组分和造血细胞组成的Adipose- derived regenerative cells (ADRCs)的存活率能达到87.4%[34-35]，与传统负压吸脂的细胞存活率一致[14]。总的来说，VASER系统可以应用于脂肪干细胞的制备，并具有并发症几率小，出血量少，细胞存活率较高等优点，与其他方法相比在富含纤维部位有更显著优势。但伴随着设备价格昂贵，培训难度相对偏大，手术时间长等缺陷。 2.3.2 震动辅助吸脂术震动辅助吸脂术是通过套管的机械摆动来破坏脂肪组织，形成脂肪团来促进负压吸取效果的[36]。震动辅助吸脂技术最早由Fodor提出并制造了原型机MicroAire(Charlottesville，VA，USA)，并在1998年获得FDA认证[12]。在一个对比研究中显示，与传统吸脂术相比震动辅助吸脂技术能够有效的缓解操作者疲劳，并且适合含纤维区域的吸脂手术[12]。随后震动辅助吸脂技术技术也逐渐改进，由电力取代了氢气动力，减轻了震动感，虽然仍然有部分机械能转化为热能，但所产生的热能要比前两代超声辅助吸脂技术低的多[12，37]。Scuderi等[37]评价了负压吸脂，前两代超声辅助吸脂技术，震动辅助吸脂技术，结果表明震动辅助吸脂技术整体效率高，减小了血管损伤，具有更高的性价比，同时有研究显示震动辅助吸脂技术的效率要比负压吸脂高17%[38]。Mojallal等[39]比对了震动辅助吸脂技术和负压吸脂技术在不同负压下的基质血管层细胞数量，获得的基质血管层细胞数量范围在(1-4.5)×108 L-1，结果表明46.55 kPa的负压下3个供体里有两个利用震动辅助吸脂技术获得的基质血管层细胞数要高于负压吸脂，但在93.1 kPa的负压却出现相反的现象。由于不论何种方法在46.55 kPa的负压下获得的基质血管细胞数都要高于93.1 kPa。由此推测在适当的负压条件下与负压吸脂相比震动辅助吸脂技术可获得更多的基质血管细胞[39]。这表明震动辅助吸脂技术可以以较高的效率采集基质血管层并应用于自体脂肪移植，但是研究工作者没有进一步的脂肪干细胞数据报道，因此无法就震动辅助吸脂技术与其他吸脂技术获得脂肪干细胞的结果进行对比。 2.3.3 水动力辅助吸脂术水动力辅助吸脂术在2007年首次出现，在吸脂过程中采用螺旋式水刀技术，水流呈微薄的扇面形状注入脂肪组织，疏松脂肪结构并释放脂肪细胞。此方法可以促进肿胀液的渗透产生局部麻醉，因此采用的肿胀液远比其他吸脂术少，患者痛苦减少，甚至可以在清醒的状态下进行吸脂塑形手术[13]，同时也减少了对脂肪细胞、淋巴血管和神经组织的损伤[40]。目前国内外对于Body-jet系统(Human Med AG， Germany)的术后评价均无负面消息，极小的并发症发生几率，小于1.0%出血量。多个研究表明，Body-jet系统是一个安全性较高的吸脂技术[41-44]。抽取的脂肪组织混合物可通过LipoCollector(Human Med AG， Germany)进行纯化，获得纯净的脂肪组织及活性细胞。虽然众多报道表明Body-jet系统是安全有效的脂肪采集方法，2013年Peltoniemi等发表的研究表明，可以通过Body-jet®结合Celution®800/CRS system获得纯净基质血管层，进一步分离培养后获得脂肪干细胞可进行细胞辅助脂肪移植[45]。但具体水动力辅助吸脂技术获得的脂肪样本中细胞活性的数据报道，如脂肪细胞、基质血管层、脂肪间充质干细胞等仍是空白。 2.3.4 其他吸脂术近几年还陆续出现了如射频辅助吸脂术、镭射辅助吸脂术这类高科技吸脂塑形技术。射频辅助吸脂术塑形手术是通过BodyTite系统(Invasix Ltd，Yokneam，Israel)完成的。BodyTite系统拥有一个包括内外两级的射频装置，其中内极探头插入皮下脂肪区域在内外电极间放射射频流，破坏脂肪组织，凝结血管，能够较好的起到收缩皮肤的作用[46]。镭射辅助吸脂技术是通过探头光能和热能使脂肪细胞破裂，凝结血管，以此提高脂解效率[47]。Chung等[48]通过一个对比试验验证了镭射辅助吸脂术和负压吸脂两种吸脂术分离获得的脂肪干细胞数量、存活率、增殖及分化能力的差异，结果表明镭射辅助吸脂方法获得的脂肪干细胞数量、存活率、增殖能力均显著低于负压吸脂，骨修复试验显示镭射辅助吸脂方法分离的脂肪干细胞对骨组织修复效果也明显低于负压吸脂，说明镭射辅助吸脂术对脂肪干细胞的生物学特性有消极影响[48]。这两类吸脂术通过破坏脂肪组织内可再生细胞的膜结构，达到脂肪组织乳化的作用，属于非回填目的的吸脂方式，因此不适用于脂肪干细胞的提取过程[46-48]。"

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