组织工程骨骼肌损伤的策略

文摘

在运动员骨骼肌损伤是常见的,发生在直接和间接机制和显著的残余影响,如严重的长期的痛苦和残疾。目前的治疗包括保守治疗包括大米协议(休息,冰,紧压和抬高),非甾体类抗炎药和肌肉内的糖皮质激素。然而,目前管理的肌肉损伤通常不提供最优恢复到受伤前的状态。新的生物疗法,如注入富含血小板血浆和干细胞为基础的治疗,是有吸引力的。尽管一些研究支持在肌肉拉伤PRP应用管理,关注持续的原因,进一步的研究需要一个标准化和安全使用的PRP在临床实践中。需要证实,干细胞的作用作为研究仍然是有限的和不一致的。还需要进一步的研究来确定机制在肌肉再生和生存、增殖和分化的干细胞。

1。介绍

骨骼肌损伤的最常见原因是严重的长期疼痛和身体残疾,占55%的所有运动损伤(1]。挫伤和菌株是最频繁的肌肉病变,代表超过90%的所有伤病(2]。肌肉损伤的机制可分为直接和间接创伤。直接伤害包括伤口和擦伤,而间接伤害包括完整或不完整的肌肉拉伤3]。肌肉挫伤发生突然,沉重的压缩力应用于肌肉(4]。出现肌肉拉伤时过度拉伸力应用于肌肉的过度紧张导致肌纤维到附近的一个破裂myotendinous结(5]。肌肉损伤也会导致这些机制的结合。最后,骨骼肌室综合症发生时,因为会损伤血管和/或神经损伤(3,6]。伤害可以对抗的有利影响参与体育运动,因为残留的影响。相关的发病率,包括痛苦的挛缩和肌肉萎缩,可能导致长期亏损的活动和复发性损伤的风险增加7]。在某些情况下,肌肉损伤会导致运动员无法继续实践运动。

因此,有必要改善骨骼肌损伤管理。保守的管理是普遍接受的,根据“肌肉损伤做保守治疗的原则。“它遵循了大米协议(休息,冰,紧压和抬高)。其他治疗方法包括本地应用程序的热量和被动运动练习。药物治疗通常包括非甾体类抗炎药(非甾体抗炎药)和肌肉内的糖皮质激素。

有效管理是只需要在选定的病人,如运动员大肌内血肿,一个完整的肌肉没有兴奋剂的肌肉,或部分应变超过50%的腹部肌肉受损,或持续扩展疼痛(> 6个月)在之前受伤的肌肉8]。

电流疗法似乎并没有获得完整的恢复受伤前的状态,新的生物疗法可能是有趣的和更有效的策略来管理肌肉损伤。生物治疗包括细胞治疗、组织工程和生长因子的政府加强当前治疗的目标。

本文概述了当前生物肌肉损伤患者的管理策略。这些治疗方法背后的基本原理和现有的最佳证据的治疗选项。

2。生长因子

受伤的骨骼肌的愈合过程的特点是几种生物活性分子,包括促炎细胞因子、转化生长因子(TGF -β)超家族成员,和血管生成因素。出于这个原因,生长因子和细胞因子代表一个潜在的治疗选择提高受伤的骨骼肌的再生/修复过程。这些信号分子加速受伤的肌肉组织的再生,提供一种促有丝分裂的刺激激活肌原性的前体细胞(9]。

这些分子显示特定的生物活性。转化生长因子(TGF -β)促进间充质细胞增殖10),促进成纤维细胞的增殖11)和细胞外基质的合成,特别是I型胶原蛋白(12),调节内皮细胞活性和血管生成13),和抑制卫星细胞增殖和分化9]。纤维母细胞生长因子(FGF)促进成纤维细胞的增殖14),促进卫星细胞增殖但抑制其分化(15),和促进间充质细胞的有丝分裂发生9]。表皮生长因子(EGF)刺激成纤维细胞迁移和增殖,调节血管生成和细胞外基质内稳态16]。血小板源生长因子(PDGF)促进间充质细胞和成纤维细胞的有丝分裂发生17),导致卫星细胞的增殖,抑制成肌细胞分化[的结束阶段18]。血管内皮生长因子(VEGF)促进内皮细胞有丝分裂发生和迁移19和促进成肌细胞移植20.]。neoangiogenesis扮演一个关键的角色在肌肉损伤的愈合过程。新船发芽从周围的健康组织损伤并提供氧气的供应,生长因子,和血液干细胞提高再生过程(21]。因此,修复受伤部位的血管模式代表了早期和必要阶段再生和肌肉组织的形态和功能恢复。

基于大量的生物效应,生长因子的临床应用受到相当大的副作用。的超表达生长因子如TGF -β和FGF相关抑制成肌细胞分化和肌肉纤维再生(15]。此外,生长因子解释他们的刺激影响肌肉细胞和成纤维细胞。特别是,TGF -β最重要的生长因子相关在愈合,疤痕形成,似乎开车肌原性的细胞染色细胞的分化。出于这个原因,肌纤维再生和疤痕组织生产过程可以被认为是两个相伴和竞争力。

同时,生长因子的表达紧密受大量的细胞外基质(ECM)的蛋白质,即硫酸肝素蛋白聚糖和小富亮氨酸蛋白聚糖(SLRPs) [22,23]。一些生长因子需要结合硫酸乙酰肝素蛋白聚糖和SLRPs提供他们的生物效应。因此,应用生长因子促进受损的肌肉组织的治疗应包括管理这些特定ECM分子。

到目前为止,从实验数据设置是矛盾的。一些作者没有报告任何政府的有利影响FGF-2 [24]或超表达igf - 1的骨骼肌具体对碘氧基苯甲醚(mIGF-1)在受伤区域(25]。FGF-2、igf - 1和神经生长因子能促进肌肉愈合过程,增加抵抗拉伸加载相比治疗肌肉(26,27]。此外,小鼠成肌细胞转导IGF-I基因提高增长率和增强骨骼肌的收缩力生产替代品包括水凝胶和IGF-I改造成肌细胞(28]。

结合生长因子可以调节不同的肌肉组织的再生过程和疤痕组织生产。因此,应用IGF-I结合TGF -β可以诱发肌肉再生,防止纤维瘢痕的形成(29日]。

3所示。富含血小板血浆(PRP)

富含血小板血浆(PRP)治疗是生物技术提供了一个有趣的组织修复由诱导趋化、增殖,合成代谢宿主细胞反应(30.]。PRP是自体产品组成的生物活性代理来自病人的血小板(31日- - - - - -33]。PRP通常由当地注入PRP方案或应用程序的PRP凝胶的手术。

考虑到大量的组织修复所需的生物制剂,PRP可能是一个理想的生物自体的产品提供一个平衡的组合介质能够改善愈合。在临床实践中,血凝块现场受伤被替换为更小体积的PRP溶液或凝胶。血小板浓度的增加网站的病变提供了一种治疗生物活性因子浓度高于生理条件。迄今为止,PRP提出了管理的肌腱(34- - - - - -36),韧带(37,38],肌肉[39,神经40,41),骨(42,43),和关节损伤(44,45]。

自体血清条件的有效性(ACS)而非随机的Traumeel / Actovegin nonblinded试点研究(第三级)在职业运动员的肌肉拉伤的伤害(39]。ACS是获得从全血,它含有生物活性蛋白质包括interleukin-1β(il - 1β)、肿瘤坏死因子-αIL-7,纤维母细胞生长因子2 (FGF-2) IL-1Ra, HGF, PDGF-AB TGFβ1,igf - 1。Traumeel顺势疗法配方含有植物和矿物成分浓度在顺势疗法。Actovegin是脱去蛋白质的小腿血液hemodialysate生理的氨基酸组成。尽管治疗是安全的,ACS允许减少时间完全康复和水肿的数量和/或出血MRI图像。

这些发现也证实了在职业足球运动员的肌肉病变不同大小和位置(46]。运动员通过激活纯PRP (P-PRP)注射。完全恢复正常的训练活动恢复一半的预期时间匹配的历史控制。同一leukocyte-free PRP制剂已经发现有效管理专业健美运动员(长内收肌拉伤47]。

ACS和PRP在实验室设置也评估。ACS是与生理盐水相比挫伤损伤模型。ACS显示早期的卫星细胞,激活和/或招聘和早期融合再生肌纤维较大,而控制(48]。PRP增加肌肉细胞的增殖、分化的卫星细胞和血管生成因子的合成在体外设置(49]。PRP和白细胞,富含血小板血浆(L-PRP)也比较laboratory-controlled研究使用肌肉拉伤鼠模型。作者证明了PRP比L-PRP更有效的肌细胞生成增强和收缩功能(50]。

尽管初步数据令人鼓舞,有一些担心PRP治疗的原因。首先,PRP能诱导纤维化的治疗反应在肌肉组织中,通过增加当地TGF的浓度。根据实验数据,TGF似乎能够在培养诱导纤维化肌肉组织(9]。此外,PRP的有效性可以影响白细胞内注入的解决方案,因为它们的酶(蛋白酶和酸性水解酶)会破坏肌肉组织(51]。

最后,一些设备和系统用于PRP制剂。因此,PRP产品应用于几项研究由一个基本的混合生长因素包括不同浓度的每个单一的代理。此外,我的研究水平与足够的措施和后续评估结果缺乏。

到目前为止,没有PRP制剂确凿的证据治疗肌肉损伤的有效性。飞行员的临床研究表明,PRP治疗可提高肌肉修复后应变或挫伤。此外,实验室数据显示一些生长因子增强肌细胞生成的能力。然而,目前没有证据推荐或阻碍采用PRP在临床实践中。进一步的研究需要标准化配方(血小板和白细胞的数量)和管理方案,包括注射量和治疗时机,优化PRP申请管理的肌肉损伤。

4所示。细胞疗法

在过去的十年中,再生医学和组织工程在肌肉骨骼疾病的管理增加了他们的作用。移植的干细胞被认为是一个新的策略来修复受伤的组织(52- - - - - -64年]。不同领域的应用探索,如关节软骨(65年- - - - - -68年),骨(69年- - - - - -72年)、韧带和肌腱(73年- - - - - -77年]。预期未来的治疗策略是伟大的。

肌肉再生的细胞疗法的理念已经发达的观察骨骼肌再生能力(78年- - - - - -80年]。一些研究调查在肌肉干细胞治疗的作用,展示了他们直接参与组织再生和他们的影响力在愈合调制(12,81年,82年]。然而,严重肌肉损伤的特点是伴随卫星细胞的活化再生活动和profibrotic活动的成纤维细胞(83年,84年]。

生长因子的具体表达式模式在该地区的伤害决定了伤口愈合过程中的主要细胞类型(12]。高水平的TGF -β3有关间充质祖细胞的激活(mpc)来自创伤肌肉促进伤口愈合后肌肉损伤(85年]。另一方面,高水平的TGF -β1相关的激活成纤维细胞产生杂乱无章的肌肉组织中细胞外基质导致纤维化(81年,82年]。纤维组织影响的能力卫星细胞来修复肌肉组织。

肌原性的细胞有不同的子集。肌肉卫星细胞(SCs)的基板下局部肌肉纤维(86年]。他们回应再生刺激增殖形成成肌细胞,进而分化与融合的多核肌管(87年,88年]。他们的能力,更新和分化产生后代表明他们是骨骼肌的成人干细胞人口(89年]。他们也被称为Pax7 +细胞,根据他们的表达阳性配对盒(罗马帝国)转录因子Pax7 [90年]。然而,SCs由异构的细胞群,包括Myf5 +细胞(90%)和Myf5−细胞(10%)(91年]。第一是致力于肌原性的血统,因为表达Myf5发起者的肌原性的分化(92年]。

其他干细胞已确定。他们都是肌肉具体,如mesoangioblasts和周,骨骼肌前体(smp),肌肉干细胞(音乐),side-population (SP)细胞,和PW1-cells和非特异性,如胚胎干细胞(ES)细胞、羊水干细胞(AFS)细胞,间充质干细胞(msc),从骨髓间充质细胞93年]。他们可以导致肌肉再生与不同的肌原性的潜力,但其潜力仍是未定义的。卫星细胞似乎足够的再生需要成人骨骼肌受损在活的有机体内(94年]。msc呈现出大迁移潜力的地区引起肌肉变性和接受肌原性的分化,提供肌肉组织的再生。MSC转导与转录因子,如MyoD,一直在研究提高肌原性的分化的潜力(95年]。

肌肉干细胞的性质分析了使用肌肉障碍和损伤的动物模型。改善肌肉结构一直在观察小鼠作为Duchene用干细胞治疗肌肉萎缩症模型(96年- - - - - -98年]。取得更好的肌肉再生使用的肌源性干细胞(MDSCs)诱导骨骼肌损伤模型(99年]。MDSCs提供一个改善肌肉愈合,因为他们的能力来吸收毛细血管和神经受伤的区域(99年]。他们也能够直接分化成内皮细胞和神经细胞类型特征(One hundred.]。由于这些原因,肌肉再生与MDSCs似乎更强大的应用程序相比,卫星细胞的应用程序。

后肢缺血模型,类似于运动型筋膜室综合征,显示潜在好处的注射骨髓来源的间质细胞的灌注,纤维化发展和萎缩(101年]。正在进行的研究结果MDSCs植入肌肉骨骼挫伤后等待(84年]。

干细胞的作用在肌肉骨骼疾病需要确认。研究仍然是有限的,许多问题仍悬而未决。应该考虑几个问题,如安全性和有效性、免疫原性和生物化学因素参与干细胞的存活和分化。还需要进一步的研究来确定机制参与肌肉再生完全理解干细胞的治疗潜力。

5。支架

再生医学是一个多学科的方法来生产生活,功能恢复的替代品,维护或改善受损组织或器官的功能。组织工程是一种特定的方法包括在再生医学领域。协会的组织工程包含三个主要元素:细胞因子或刺激,和生物材料102年]。

肌肉骨骼组织工程旨在获得功能替换丢失或损坏骨,软骨,骨骼肌肉和肌腱/韧带。组织工程骨骼肌损伤,代表了生物替代严重损坏后更换大型组织的损失。

骨骼肌组织工程可能是由两种不同的方法:在体外和在活的有机体内。在在体外从成人骨骼肌组织工程,SCs扩大3 d支架和种子生产cell-biomaterial构造。干细胞的分化后,neo-tissue嫁接在受伤的地区可以移植。在在活的有机体内组织工程,孤立的SCs被指控在一个3 d支架载体和立即移植。因此,交付的干细胞获得肌肉病变(93年]。

高效的骨骼肌再生和功能密切相关的生物材料用于制造支架和细胞的再生潜力用于脚手架播种。细胞的来源用于脚手架播种应选用基于受损组织的特性。也可以自体或同种异体细胞,包括干细胞,它是必需的。

脚手架是一种分子结构能够模仿本机的解剖学和生物力学性质的组织。肌肉组织工程支架应该能够弯曲和拉伸(103年]。此外,他们应该能够促进成肌细胞的排列肌管的装配。纳米支架比组织更有效促进肌管总成支架(104年]。

生物材料用于制造支架可以天然(如胶原蛋白)或合成(如陶瓷、聚合物的乳酸和羟基乙酸)和可溶性或不溶性。脚手架必须具有生物相容性和生物降解性属性(105年]。生物相容性是必要的,以防止毒性和免疫原性biomaterial-related诱导不曾在宿主体内肌肉。生物降解能力允许逐步替代支架的新形成的肌肉组织。此外,支架应整合分子或细胞,提供受控的生长因子、细胞因子、质粒、药物或其他合成代谢刺激(106年- - - - - -109年]。在骨骼肌组织工程、生物材料应该支持肌原性的过程,提供一个微环境,允许细胞生存、增殖和/或分化修复,和/或再生受损的组织。

合成和天然支架已经调查了肌肉再生组织工程方法。polylactic-co-glycolic酸(PGA)是合成生物可降解生物材料显示适当的刚度和连接,适用于肌肉组织工程。构造的成肌细胞和聚乙醇酸网格一直在评估肌肉再生鼠模型。再生组织如结构被发现与对齐成肌细胞链的聚合物纤维。PGA支架允许的排列成肌细胞和肌管的装配,繁殖肌肉纤维组织(110年]。

领域的天然可降解生物材料,不同的3 d支架已经开发出来。胶原蛋白支架与面向并行的毛孔被用来繁殖骨骼肌的三维组织(111年]。永久的肌原性的细胞渗透在这些支架和培养诱导他们的增殖和分化111年]。胶原支架的孔隙结构显示诱导骨架纤维组织再生的能力,结合多核肌管孔隙结构的取向111年]。此外,cell-scaffold结构能够支持肌肉组织中产生机械力(111年]。这些结果还发现在一个在体外研究多层文化的老鼠的新生儿卫星细胞在胶原蛋白三维支架进行(112年]。

纤维蛋白是另一种天然可生物降解3 d支架用于获得肌肉再生。三维纤维蛋白基质被用作载体注入成肌细胞受伤肌肉地区的大鼠模型。纤维蛋白载体诱导炎症反应和不允许整合成肌细胞为宿主的肌肉纤维(113年]。纤维蛋白矩阵也允许生产紧张的纤维蛋白凝胶纤维蛋白支架采用连续拉伸应变。紧张的纤维蛋白凝胶的形态特征诱导播种成肌细胞的排列。此外,细胞排列方向平行应变繁殖骨骼肌组织的组织(114年]。纤维蛋白矩阵也允许成肌细胞的分化,培养在一个三维的模式中,电刺激下(115年]。最后,纤维蛋白支架一直还结合成人人体细胞再生肌肉在大型组织损失大缺陷的小鼠模型。胫骨前肌结构的纤维蛋白微线程和成年人类细胞,显示构造在宿主组织再生的作用形成骨骼肌纤维结缔组织,PAX7阳性细胞(116年]。

另一种类型的自然脚手架是一种hyaluronan-based水凝胶,用于执行交付SCs或mpc的小鼠模型。构建SC-hydrogel显示增强的再生过程的新肌纤维数量高于MPC-hydrogel独自或水凝胶。在接收SCs的肌肉,是一个功能SC利基相关的神经和血管网络(117年]。

非细胞肌ECM一直还在肌肉组织工程的研究领域。非细胞肌肉支架是源自于趾长伸肌肌腱牵向前肌肉,并被注射成肌细胞。构造允许细胞生存和扩散和纵向收缩力电刺激(118年]。

每种类型的脚手架显示特定的礼仪和独特的优势。脚手架制造的最终目标包括促进肌肉干细胞的增殖、分化,平行对齐来获得一个新的骨骼纤维组织。肌肉组织的再生的支架的应用可能代表了一个有趣的方法特别是在重大外伤与大型组织的损失。在大多数肌肉损伤,脚手架的作用尚不清楚,可能不是一样重要在骨或软骨再生。事实上,骨骼肌的特点是不同层的结缔组织,如肌内膜、肌束膜,肌外膜,似乎能够推动新的肌肉纤维的再生不需要支架。还需要进一步的研究来确定最佳的骨骼肌组织工程支架。然而,可用技术的组合可以代表的正确方式制造理想的支架。

6。结论

骨骼肌在运动损伤是最常见的损伤,发生直接和间接的机制。有效的管理是一个具有挑战性的问题在骨科运动医学由于残余影响,如严重的长期的痛苦和残疾。骨骼肌损伤造成时间损失的活动,增加复发性损伤的风险。由于这些原因,他们构成一个健康问题,运动员和俱乐部和赞助商的经济问题。

在大多数的情况下,当前的治疗包括保守治疗包括大米协议和管理非甾体类抗炎药或肌肉内的糖皮质激素。然而,目前管理的肌肉损伤并不经常提供一个最优恢复受伤前的状态,因为纤维化的发生在修复过程中受伤的肌肉。实验研究突出肌肉挫伤后愈合的生物基础,应变,或撕裂伤。这提供了新的生物疗法的理论基础,如PRP和生长因子,细胞治疗和组织工程。生物治疗策略可能是更有利的。虽然鼓励PRP应用,担忧的理由坚持使用肌肉拉伤管理及其作用机理仍不确定。进一步的研究需要允许一个标准化和安全使用本产品在临床实践中。细胞只在有限和不一致的策略进行了调查研究。干细胞的作用需要确认。需要进一步的研究来确定机制在肌肉再生和生存、增殖和分化的干细胞。 Skeletal muscle tissue engineering represents a biological alternative for replacement of large tissue loss after severe damage, based on combination of adult or embryonic stem cells, factors or stimuli, and biomaterials. However, further studies are required to identify the best biomaterial to fabricate the ideal scaffold, the best cell source for scaffold seeding, and the role of growth factors and other stimuli used to functionalize the scaffold.

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