为定制的肌腱干细胞再生

文摘

需要一个一致的肌腱损伤的修复治疗方法是姗姗来迟。腱microtears或全部破裂患者有资格获得广泛的侵入性和非侵入性的干预措施,经常主观地由医生决定。手术产生最好的结果,研究了优化贪污构造和跟踪结果,这些研究不确定的数据。已经建立的是一个清晰的理解健康肌腱结构和内在疗愈的过程。有了这些知识,组织再生的努力取得了巨大的进步在支架设计中,细胞系的选择,而且,最近,适当的使用细胞因子和生长因子。本文评估从骨髓干细胞的可塑性和最近开发的生物材料的弹性对肌腱再生工作。间充质干细胞(msc)造血祖细胞,聚(1,8-octanediol co-citrate)支架(POC)的上下文中讨论了建立移植策略。与POC支架摇篮msc及造血祖细胞的增长,开发一个纤维弹性的网络受细胞因子和生长因子可能造成对贪污构造一致,增强功能,和更好的病人的结果。

1。介绍

与体育运动有关的肌腱和韧带损伤占很大一部分病人报告,占在初级保健医生几个小时,放射学,整形外科和物理治疗。集中肌肉力的作用使肌腱和韧带容易过度综合征和压力伤害,与病理横跨三个等级(1]。这些是过度伸长(一级,没有痛苦,没有关节不稳定),部分眼泪(II级,严重的疼痛和关节不稳定),和完整的眼泪(三级、剧烈疼痛受伤期间,其次是没有痛苦)。完整的眼泪最常发生在胶原纤维的物质,特别是在快速加载到肌腱和韧带。此外,变性和肌腱的断裂与hypovascularity在某些地区的组织像胫后肌腱(2]。其高血管性骨性插入点,而其他地区倾向于压力和压力,无血管的。这就解释了物质内的肌腱断裂的倾向

1.1。炎症细胞和细胞因子驱动肌腱愈合

在组织损伤,血管破裂,暴露内皮触发凝血级联的损伤,产生一个血肿。纤维蛋白和血小板血肿服务集中,后者释放血小板源生长因子(PDGF)、转化生长因子β(TGF -β2)、胰岛素样生长因子- 1 (igf - 1、2),和各种细胞因子启动局部炎症和建立chemotatic梯度。为了应对化学引诱物,中性粒细胞进行血球渗出,增强TGF -的水平β,并同时释放额外的因素,如碱性纤维母细胞生长因子(bFGF)和血管内皮生长因子(VEGF)。与此同时,组胺和血管舒缓激肽从血小板和中性粒细胞促进前列腺素的形成(PGE1和PGE2),集体呈现为疼痛和压痛症状(3]。急性炎症期后,集中生长因子水平允许进入修复阶段,通过一个外在或内在途径发生。

在外在肌腱修复方案,撕裂修复本身通过肉芽组织形成4]。后瘢痕形成最初的巨噬细胞吞噬作用的碎片,随后激活休眠的成纤维细胞,成纤维细胞迁移和胶原沉积在受伤后第三天。乳酸从组织缺氧是胶原沉积的动力5]。巨噬细胞应对高乳酸水平,刺激成纤维细胞细胞外基质成分躺下,直接或通过TGF -β。第七天,血管生成由VEGF明显为了支持纤维母细胞活动(6]。不幸的是,胶原纤维沉积在外在修复途径缺乏组织(7)由于交联异常和III型胶原蛋白的优势。保留葡糖氨基葡聚糖结果的高水平较弱,纤维化肌腱鞘内,不太能够平稳(8]。

相比之下,内在修复机制模仿胚胎腱形成(9]。在此系统中,成纤维细胞迁移到该网站的缺陷和负责合成胶原原纤维的一个品种。原骨胶原从内质网到原胶原蛋白裂解,,而不是直接连接形成胶原纤维,它们被添加到胶原原纤维段第一。这些纤维段大于原胶原分子,在破裂结束并入受损的胶原蛋白,保持子单元的原始和目标取向,如组织胚胎fibrillogenesis [10- - - - - -13]。修复的最后阶段开始后6 - 8周之后伤害和持续数月之久。III型胶原蛋白被I型胶原蛋白,和多孔性和含水量的减少使得愈合肌腱接近正常运作组织的形态。

肌腱的营养是至关重要的正常生理和治疗后病理(14]。intrasynovial肌腱通常是由内在的细胞中发现的single-cell-layered滑膜。这个膜存在肌腱(endotenon)壁表面的肌腱鞘(epitenon)和动脉外膜内(paratenon)。Extrasynovial肌腱得到营养生长因子和细胞因子在paratenon和系统性血管。这些因素包括igf - 1、PDGF bFGF,每个初尤其重要和直接的治疗阶段。他们启动和引导成纤维细胞活化、增殖和迁移。TGF -β和VEGF显示其重要性在装修阶段,促使血管生成(3]。

2。目前的治疗策略

的方法治疗急性软组织损伤严重依赖病人的历史,标志,和症状,包括受伤的等级和治疗后的目标使用。最初,临床评价决定了等级的关节损伤和不稳定的水平。放射技术的超声和磁共振成像协助诊断,之后,病人被认为是保守的或手术治疗。对所有伤害,最初的管理是旨在控制水肿,增加稳定和减少疼痛和炎症。这些目标可以通过保护、休息、冰、压缩、海拔和支持。

2.1。非外科手术方法

对于小眼泪或过度伤害,医生选择保守治疗肌腱加强和延伸。毕竟,老公司发病率以及关节炎患者不符合手术,尤其是治疗目的是实现稳定在高强度体育运动相关的联合使用(15]。一些受伤甚至被认为是不可挽回的16]。非外科手术康复包括固定和加强关节周围的肌肉。这种方法依赖于内在和外在机制的修复正如上面所讨论的。而运动,拉伸或热不推荐在炎症阶段(周0 - 3),对负重锻炼和增强式训练控制逐步发展允许修复和重建阶段(周3 - 12)。在细胞水平上,伸展和加强促进胶原蛋白合成17]。没有适当的物理治疗,胶原原纤维不是线性排列,产生弱疤痕容易进一步损伤。早期动员联合紧随其后的晚期被动或主动能动性防止粘连等并发症滑膜(18]。

2.2。外科手术方法

对于年轻患者希望实现预损伤条件下使用,外科干预措施可以重建功能高达98%。然而,手术并不是没有困难。缝合技术众多,选择一个适当的移植是一个进一步的挑战。前交叉韧带损伤,股薄肌腱缺损通常收获,但必须特别注意达到适当的张力和固定的移植手术。弛缓性移植,或者过度收紧政策,稳定和延展性妥协。不过,手术仍然是一个最优的选择。在跟腱断裂,手术治疗是降低风险的再保险破裂相比其他干预措施(19]。此外,并发症如感染、神经损伤、粘连,必须考虑扰动皮肤敏感性与开放手术20.- - - - - -23]。最近的见解表明经皮肌腱修复方法倾向于减少感染,提高病人满意度,尽管外科医生无法想象的缺陷(24]。而整容开放和经皮的区别方法是值得注意的,仍然有争论是否经皮方法有影响的肌腱断裂,剩余差距削弱了结束,或神经损伤的程度25- - - - - -27]。

最近,注射疗法使用自体富含血小板血浆(PRP)正在探索。PRP模仿的高浓度血小板在血肿周围的伤害(28]。丸PRP中血小板(6倍浓缩比血),TGF -βPDGF VEGF, igf - 1、纤维蛋白、纤连蛋白,vitronectin,血小板反应蛋白,骨粘连蛋白和骨钙素(29日]。虽然这似乎理想的机械化,随机对照试验显示没有改善疾病进展(30.,31日]。适当剂量的PRP对软组织损伤仍是未知的,和效果严重依赖于解剖部位和损伤等级(29日]。

对于某些患者群体,尤其是完全破裂,手术是照顾肌腱和韧带损伤的标准(32]。即使手术的进步,仍然有一个内在的需要建立生理功能和对病人高度可再生的效果。而缺乏明显的术后康复协议可能导致这33),从一个荟萃分析发现Mohtadi et al。34详细说明这个问题。在比较的结果与自体肌腱或膝前交叉韧带修复肌腱,没有发现差异rerupture函数或利率。然而,膝移植可以产生一个更稳定的膝盖,牺牲前膝盖不适和减少的范围扩展。肌腱移植患者有较弱的膝盖和屈曲范围和强度下降。显然,贪污都不是最优的。展望未来,开放手术策略邀请使用生物材料和自体干细胞来提高本地修复机制,重建策略,可以解决这个病人的结果的不确定性。

3所示。间充质干细胞作为候选人肌腱和韧带修复

Tenocytes或细长的肌腱成纤维细胞的居民,负责fibrillogenesis胶原纤维的生成,但在正常使用条件下基本保持休眠状态。受伤后,他们被激活的炎症反应胶原沉积。协助下进行这个函数,tenocytes tendon-derived干细胞(TDSCs)。研究表明,TDSCs诱导tenocyte分化在机械刺激(35]。

从再生角度讲,韧带和肌腱可以考虑结构相似。I型胶原主要见于两种纤维弹性的结构,剩下的物质包括成纤维细胞、基质、弹性蛋白、水(36]。韧带有稍微降低胶原原纤维的百分比,但肌腱相比更高的弹性蛋白和蛋白多糖成分。此外,肌腱的范畴内,没有记录在构造显著差异或男性和女性之间的弹性37]。尽管如此,他们的主要区别是功能,而不是组成。通过治疗肌腱和韧带胶原纤维类似,移植变得更有效的恢复建设持续拉伸加载后受伤。

间充质干细胞的再生能力现在是建立在大量的领域,包括骨科(38- - - - - -42]。尽管罕见的骨髓中,发生在100000年一个有核细胞的速度(43),msc具有高,虽然不是无限期的,扩散能力,补偿他们的罕见。他们有能力划分24-40倍扩大远高于一百万个细胞的细胞群44]。msc表达细胞表面标记CD29、CD44、CD105和存在,不利于造血标记如CD14、CD34和CD40。msc也为阴性白细胞共同抗原CD45,表明这些干细胞不能刺激同种异体淋巴细胞增殖从而避免免疫排斥反应(45]。他们的区别从骨髓造血细胞允许易于通过流式细胞术隔离,使得使用[msc现成的46]。

msc的一个巨大的优势,因为被Pittenger et al。47),是他们不区分自然在在体外文化。这允许控制微环境中,如目标组织本身,决定msc移植后的分化。从更新的角度来看,msc显示一个免疫调节作用[48),包括细胞因子的分泌发起组织再生(49]。目前,多功能msc分化成神经(50),心脏、成骨、脂肪形成的血统。固有的可塑性msc使这个细胞的主要候选人软组织再生,尤其是他们支持整形治疗以最小的并发症(51]。

3.1。msc TDSCs出现相似

在描述的一项研究中,未分化TDSCs比较从骨髓间充质干细胞在再生(BM-MSCs)也重要。TDSCs被发现有更高clonogenicity和增殖率,和表达谱显示更高级别的tenomodulin, scleraxis, COL1A1,碱性磷酸酶,COL2A1, biglycan mRNA表达相比BM-MSCs [52]。虽然TDSCs显得更加适合软组织再生,这些软组织mrna没有缺席msc、像TDSCs来显示他们的能力。摘要比较TDSCs和msc在桌子上1。

鉴于msc的能力受到他们的微环境,预计msc在腱鞘的背景下将调节相关的蛋白质含量在TDSCs发现。直接和令人信服的证据已经证明的能力msc分化成tenocytes [53,54]。此外,从骨髓msc更容易分离和倾斜TDSCs相比,这是从脆弱peritendinous结缔组织(55]。从治疗的角度来看,隔离结缔组织损伤需要两个网站的入侵过程在同一网站,而骨髓愿望不会加剧腱断裂位置的愈合过程。

为了重建屈肌肌腱组织,Kryger et al。55]证明了相似性分化epitenon tenocytes BM-MSCs。形态学,BM-MSCs tenocytes都纺锤形,彩色强烈胶原蛋白1和3 (56]。像BM-MSCs tenocytes跨多个通道轮没有衰老,说明双方的长期能力支持再生移植细胞类型。如果经济增长没有持续的治疗,应用msc将从逮捕的增长发育不良滑膜环境更加复杂。当播种在非细胞肌腱移植,细胞类型保留他们的胶原蛋白架构在活的有机体内与炎症反应的控制。这些特征支持使用BM-MSCs肌腱再生,尤其是部分支架(57- - - - - -59]。像TDSCs, msc诱导分化tenocytes通过Wnt信号通路和循环机械刺激,模仿正常流程(60]。有趣的是,富含血小板血浆(PRP)刺激msc和TDSCs被发现。PRP增强对软组织血统MSC增殖和诱导TDSC分化成tenocytes [61年,62年]。真正验证msc是一个可行的候选人将说明tenocyte-like信使rna和蛋白质,以及活跃,然而控制,胶原沉积。

4所示。弹性支架和仿生材料

现在欣赏这种子移植大大改善结果在非种子的移植(57- - - - - -59]。兰格和哈贝尔开始使用仿生自组装支架时,他们认为一个成功的移植必须显示几个属性:(a)脚手架应该支持细胞粘附,(b)局部生长因子应该积累和在适当的时候被释放,和(c)支架应该对矩阵蛋白酶(63年- - - - - -66年]。许多成功的支架已经借给这些核心概念和凭证应该是支架设计不可或缺的方面。

软组织再生的《盗梦空间》的努力开始使用小肠粘膜下层(SIS)作为替代移植物材料是从病人。姐姐是一个异种的膜是从猪空肠(67年]。机械的肌层和粘膜产生薄,半透明的黏膜下层。去细胞产生密集,原生胶原基质容易用于多种组织工程领域。自从最近的食品和药物管理局批准的材料,姐姐已被用于肌腱套重建(68年]。胶原蛋白矩阵在SIS立即准备移植的目的,和细胞外蛋白质(弹性蛋白、层粘连蛋白、纤连蛋白和蛋白聚糖)带来了额外的一层稳定的产品。通过与过乙酸去除细胞内容,消化器官的细胞因子和生长因子被允许更好的接受在滑膜等其他网站。这个策略,然而,违反使用自体来源的组织的当前趋势。收获SIS才能引发免疫反应并减少其适用性以来患者一个放大炎症反应会导致组织损伤和可怜的伤口愈合。姐姐已经证明接受挛缩在活的有机体内,高批次变化限制了潜在的治疗。

最近,胶原蛋白基质培养的msc在地平线上出现肌腱修复(69年- - - - - -71年]。等电点聚焦的有前途的技术将胶原纤维靶组织的参数,调整密度,对齐,结缔组织和力量。这些电化学对齐的胶原蛋白(ELAC)矩阵支持更高的msc增殖率相比,随机的胶原蛋白。仅仅取向ELAC上调scleraxis和tenomodulin msc、支持转向tenogenic分化msc当面对一个对齐和致密胶原蛋白基质。ELAC支架,然而,只有满足机械支架设计的先决条件。虽然胶原蛋白定位和MSC依从性很重要,ELAC不支持所需的生长因子和细胞因子结合在愈合。

4.1。聚(1,8 octanediol-co-citrate)肌腱再生的支架

目前,合成聚合物的多功能性组织工程前景看好。一种新型材料,首次成立于治疗埃米尔et al。72年),随后由Sharma et al。73年),提出了考虑在肌腱再生。聚(1,8 octanediol-co-citrate)脚手架(POC)是一种高度可再生的弹性材料72年,73年)能够被用作合成支架支持细胞生长。通过比较,一个类似的材料称为聚(lactide-co-glycolic酸)(PLGA)之前交付为肌腱干细胞再生利用的努力(74年]。PLGA能够实现一个弹性模量与肌腱(750 MPa),降解模式持续七周在体外。

POC的选择在其他化合物如PLGA或poly-glycolic酸(PGA),然而,是超出了他们的作文。PLGA和POC多孔足以支持细胞生长,同时降低类似的无毒副产物。然而,POC薄允许更多氧气和流体交换(因此更大的营养物质运送到发展的组织)在对方的脸,从长远来看有利于细胞增殖。POC支架也可以定制程度高于PLGA,允许动态弹性,以更好地反映本地韧带和肌腱动力学。尽管表现出平等的支持健壮的细胞生长,不缝合三维PLGA结构到活组织。

POC支架为锚定提供粘附基质细胞提供生长因子通过对支架降解控释75年]。POC支架生物降解和non-enzymatic resorbable-they降低水解成有限公司₂和H₂o .这些聚合物形成高度适应性强和不稳定支架由于酯结合方案和正在迅速重现。虽然POC支架缺乏任何生物属性,可以优化聚合条件,以便POC支架模仿collagen-based的拉伸强度和杨氏模量弹性组织。简单地说,当克分子数相等的量的柠檬酸和1,8 octanediol结合,融化,冷却预聚物,聚合动力学之后可以根据温度和时间参数调整(76年]。高温聚合较短时间产生密集的薄膜,而低温和长时间聚合产生低交联的电影。这些性质使POC优于非降解的支架结构有两个原因。第一,第二个手术来移除装置并不是必须的,和非可降解支架往往不是复制目标组织的力学行为。表2(一)和2(b)表现出支架目前用于治疗或实验(69年,73年,77年- - - - - -86年]。

POC的物理性质可以精巧专为各种组织形态和功能。例如,一层薄薄的POC就没有困难作为移植两轮(跟腱),平肩袖肌腱。此外,POC支架移植同样会抽出鞘和护套肌腱,没有阻碍顺利滑动。角周围的肌腱骨日珥,POC支架将足够灵活,能够保持这种构象在运动和保持不变。杨氏模量,根据胡克定律测量应力/应变条件下,是最现成的肌腱和韧带的结构(表3)。因此,制定POC支架根据这些弹性和硬度值允许为特定的解剖目标一致的建设。其他参数,如泊松比、迟滞和蠕变,将进一步描述目标组织和允许一个更好的匹配的支架设计。

虽然大多数的肌腱和韧带断裂发生在肌腱的身体,比例确实发生在纤维软骨界面。在这个地区,胶原纤维混合成骨性附件射孔纤维(Sharpey纤维),成为连续骨膜。韧带在缓慢加载率增加,纤维的插入点变得最薄弱的点。这个结的重要性最近成为治疗的目标,因为弱点在这个界面可以危及即使最好的重建的努力。详细讨论了巫女等人强调接口的再生是一个“先决条件实现生物软组织移植固定”(87年]。在一项研究中,msc被证明加快改造腱骨的界面当植入骨隧道(88年),这意味着msc在这个地区有潜在的。

而不是通过螺丝将腱移植骨,最佳的方法是重建与msc使用合成材料的合作。矛盾的是,纤维软骨界面的复杂性使其成为一个完美的候选人POC的利用率。模仿的策略鲁和他的同事们(89年与三个不同的地区),支架将使胶原的形成腱沿着一条边,沿着其他骨的材料,和一个中间带代表从肌腱过渡到骨头。鉴于msc分化成成骨的能力和tenogenic血统,一个细胞群播种到支架可以重新生成复杂的纤维软骨界面。此外,POC支架可以制定目标肌腱接口,依靠沃尔夫定律的动力学和负载管理肌腱重建的目的。

5。血管生成生长因子和细胞因子

而成熟的肌腱血管都很糟糕和持续的滑液(90年),发展肌腱高度血管。富人毛细管网与tenogenesis主要来自肌肉肌腱结,osteotendinous结,或从周围的结缔组织91年]。所述,肌腱可能回到胚胎状态的内在修复损伤后为了放下胶原蛋白。从血管的角度来看,这不是意外,严重受伤的肌腱发芽毛细管味蕾的裂伤(90年]。事实上,临床医生小心翼翼地保留丰富的血管周围结缔组织损伤以贪污。避免坏死和补充贪污,滑液不是唯一的营养来源是移植存活率的关键(90年,92年]。

血管生成在现场受伤的依赖于VEGF (93年]。通过酪氨酸激酶受体,VEGF指南hemangioblasts分化成内皮祖细胞,形成新的血管供应的伤害。当受伤引起的血管生成反应,迅速动员内皮祖细胞。得益于FGF-1 2 TGF -β、PDGF和肿瘤坏死因子α(94年,95年从tenocytes和周围的结缔组织,这些细胞因子和生长因子支持肌腱移植,促进组织重建。从胚胎发育研究结果显示,TGF -β增加了转录因子scleraxis [96年]。Scleraxis是肌腱成熟的关键,甚至在adenoviral-mediated msc与Scleraxis基因的转导,组织证明改进的刚度,提高stress-to-failure水平、更大的纤维软骨的沉积60]。系统回顾相关生长因子的增加cartilage-derived形态蛋白(CDMP), IGF、VEGF、il - 10, FGF的必要因素在肌腱再生(97年]。这些因素归纳在表格4(98年- - - - - -107年]。

增强血管网络的修复效果的损伤可通过直接、本地化交付proangiogenic因素。努力使转染这些因素进入细胞,或交付通过liposomal-mediated基因转移因素,改进直接注入重组生长因子(108年]。然而,这种方法可能不是很适合肌腱微环境,自交付计划将不会达到无血管的区域的肌腱。此外,裸DNA转染依赖细胞转录因子产生的血管生成因子,将巨大的责任已经受损组织支持本身。

POC的固有性质提供了一个替代的生长因子。在POC的聚合、小kDa-sized生长因子可能被锁定在支架表面侵蚀和释放。在一项由Sharma et al。75年),弹性POC支架进行了修改与硫酸乙酰肝素和加载与VEGF、FGF2, igf - 1在大鼠植入。这些构造pro-angiogenic生长因子通过发布系统和控制退化和增加血管的生长在活的有机体内与控制。硫酸乙酰肝素,一个高度硫酸粘多糖,可以保护生长因子和扩展他们的半衰期。这样的构造也会允许交付因素调节降解酶治疗组织(16]。

另外,POC可能与原始的干细胞或祖细胞与msc。来自同源msc,这样可以防止不必要的侵入病人,为一个单一的骨髓愿望可以产生足够的细胞的人口。发现和利用CD34 +造血干细胞(hsc),表达血管性血友病因子(vWF),血管endothelial-cadherin (VE-cadherin)和Flk-1,证明增加新血管形成和减少纤维化时注入受伤的网站(109年,110年]。这些标记,除了CD133、CD34和AC133 [111年),允许通过流式细胞术缓解的孤立。鉴于内皮祖细胞是合成支持兼容矩阵(112年),血管伸长和分支将受益于POC支架的孔隙度随着cell-scaffold构建的成熟。细致的研究必须跟踪新血管形成的终止,因为成熟的肌腱是无血管的。据推测,增生的血管会妨碍的稳定性和功能贪污。目前,干细胞在矫形支架的使用仅限于动物研究[16]。

6。现在壁垒和未来的方向

msc的组合效应、POC支架和生长因子创建一个强大的方法来治疗常见的肌腱损伤。虽然Gulotta et al。35)驳斥了msc在肌腱愈合的疗效,否则我们的方法可能会建议。发现msc状态没有改善结构、组成、或肌腱的力量35)可以归因于缺乏生长因子在构造中使用。此外,细胞通过纤维蛋白基质的交付可能不是一个合适的衬底为MSC分化在活的有机体内条件。

初始化一个肌腱再生过程需要识别和隔离适当的细胞能够增殖和维持增长的愈合过程,同时保持生理完整性贪污。msc及CD34 +肝星状细胞的功能潜力直接依赖于适当的合成支架设计。在自尊和POC的支架,我们利用骨髓间充质躺胶原蛋白和巨大潜力造血前体细胞通过脚手架的挂毯编织的船只。增援手术后治疗和非甾体抗炎药已被证明不溶性和总胶原蛋白增加,翻译在抗拉强度增加和修复(113年]。

因为POC可以定制各种密度,这种多功能支架的应用扩展超出矫形手术。讨论了这里,定期形成致密的结缔组织,但POC可能告别在再生密集的不规则和松散的网状结缔组织。例如,POC支架可以有助于利用组织工程的三个条件:(a)真皮调整烧伤患者的骨髓间充质供应与成纤维细胞和脂肪组织,(b)在神经源性膀胱壁再生条件与msc供应收缩平滑肌细胞,和(c)对骨关节炎软骨形成和半月板撕裂。在所有情况下,功能三个msc、POC,生长因子可能一天补充目前的手术策略。

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