干细胞在整形外科中的应用

文摘

干细胞研究在整形再生医学中起着重要的作用。当前文学为我们提供了有前景的结果从动物研究领域的骨骼、肌腱、软骨修复。虽然早期临床结果已经发表的骨头和软骨修复,数据对肌腱修复动物研究是有限的。这些技术的成功仍然不一致的在所有三个提到的领域。这可能是由于不同的应用程序技术不同,从简单的间充质干细胞注射到复杂的组织工程。然而,干细胞的理想载体仍然是有争议的。本文旨在提供一个更好的理解当前的基础研究和临床数据有关干细胞研究在骨骼,肌腱、软骨修复。此外,焦点被设置在不同的干细胞应用技术在肌腱重建、软骨修复、骨缺损的填充。

1。介绍

今天伟大的希望是再生医学在医学领域。利兰·凯瑟在1992年推出的“再生医学”这个词。他预测,“医学发展的一个新的分支,试图改变慢性疾病的进程,在许多情况下将再生很疲倦,没有器官系统”(1]。自那以后,世界各地的科学家们试图开发细胞受损组织再生方法,甚至替代整个器官(2]。

当然,再生医学的发展对骨科的兴趣。那里,好希望是再生医学发展替代治疗软骨损伤、关节炎、大骨缺陷,或萎缩性跟腱断裂在过去的十年。这些都是迹象,只有不够传统移植来治疗和外科手术3- - - - - -10]。因此,他们经常导致肌肉骨骼系统的功能下降,甚至失去病人的流动性。在最坏的情况下,所提到的疾病甚至导致对病人自主权的丧失。结果是,这意味着巨大的世界各地的卫生保健系统的成本。

在本文中,我们专注于干细胞在再生医学中的应用骨科迹象。我们目前方法在干细胞治疗骨科和审查最近的成功在基础科学和临床应用领域内的再生医学的方法。

2。干细胞

干细胞在再生医学特别感兴趣的。他们存在一些独特的特征,区别于其他类型的细胞。干细胞代表没特化的细胞,可以分化成不同的成熟细胞类型。在这里,重要的是要区分胚胎干细胞,这是真正从多功能多能成体干细胞。胚胎干细胞(ESCs)只存在于生物体的早期发展阶段。他们代表唯一的细胞类型,具有无限自我更新能力和真正多能。作为一个独特的前驱细胞,可以分化成三个生殖细胞层(2]。相比之下,各种各样的多能成体干细胞存在于多半生物体的所有组织。他们是负责维护他们存在于组织的完整性。通常,这些成人干细胞显示有限的组织一个胚层分化潜力(2]。

ESCs人力作为资源的使用细胞治疗方法是目前一个深入研究领域(11- - - - - -13]。从法律和道德角度来看,涉及人类胚胎干细胞的研究是极具争议,许多国家都在审视自己的立法。除了道德问题,胚胎干细胞的使用是有问题的,应用同种异体的多能细胞本身就是一个明显的致癌潜力,目前禁止应用程序的病人。

高桥和山中在2006年开设了再生医学的新视角。他的团队是第一个证明成功的体细胞去分化成多能ESC-like状态通过转染四胚胎转录因子14]。所谓的诱导多能干细胞(iPS细胞)为自体疗法的可能性提供多功能和方便的细胞在未来。旁边这个技术无疑代表了巨大的潜力,它有一些必要的安全问题目前远未得到解决。ESCs,这些细胞固有高致癌潜力目前禁止在病人中的应用。如果他们注入处于未分化状态,导致畸胎瘤,从“诱导多能性”细胞生成的小鼠表现出高水平的肿瘤。这致肿瘤性可能是由于已知的转录因子用于去分化癌基因,由于后生改造不足或由于使用的致癌逆转录病毒转染15]。

成体干细胞的使用提出了更少的道德问题和已被证明是比多能干细胞更安全。此外,这些细胞具有更多优势的ESCs相比,例如,一个用自体的细胞疗法,使用病人自己的细胞,以减少可能的免疫反应,更容易实现。然而,有限的成体干细胞的分化潜力缩小他们的适用性。通常,成体干细胞可以分化成组织的细胞类型,他们居住。间充质干细胞被发现是最有希望的候选人,当他们表现出良好的分化潜能对软骨,肌腱和骨细胞。它们可以被孤立的间充质组织例如骨髓,脂肪,滑液膜、骨膜和其他人16]。有趣的是,这些发现了间充质干细胞不同对其分化潜力依赖他们的组织来源17]。

作为道德和安全问题目前禁止应用程序的“诱导多能性”细胞和ESCs的病人2,18),我们将专注于成人的间充质干细胞在剩下的纸。

3所示。间充质干细胞在再生医学中的应用

再生医学细胞疗法主要包括两种不同的策略。在第一种方法,应用细胞替代受损细胞在组织重组其完整性和功能。在这过程称为“细胞疗法”细胞悬液只是注入受损组织或进入血液循环。第二种方法称为“组织工程”是更复杂的。在这里,细胞结合三维矩阵组成的组织如构造替代失去的部分组织,甚至整个器官(图1)[2]。

最成功的例子之一“细胞疗法”是造血干细胞的移植。这个过程已经练了几十年治疗严重的血液疾病。造血干细胞移植的骨髓,是收件人的注入血液循环。有趣的是,他们找到骨髓,这种现象称为“归航。“趋化因子被发现起着关键的作用在归航的造血干细胞(19- - - - - -21]。

几个实验已经证明归航受伤组织的能力对几种类型的干细胞。在动物模型中肝中毒,部分肝切除术,心肌梗塞,肾病,脑缺血,肺损伤,肺纤维化,和当地的辐照,干细胞丰富在受伤组织和部分分化成组织细胞类型系统注射后(22- - - - - -38]。与系统注射间充质干细胞细胞疗法也表现在人类中,显示移植物抗宿主病有利影响或成骨不全症39,40]。

然而,细胞疗法本身并不是足够的再生组织缺陷甚至取代整个器官。因此,“组织工程”是一个更有前途的方法策略。在这个过程中,组织细胞的支架上模仿组织细胞外基质的结构。在过去的十年中,基础科学取得了巨大优势在组织工程研究中,导致在体外多个不同的功能组织结构(组成41]。尽管如此,组织工程治疗几乎没有达到病人(42]。组织工程方法的温和的原因进入到诊所是血管化的但尚未解决的问题(43]。因此,一个完整的血管网络是一个先决条件实现超过400的组织结构μ米直径(44]。在过去十年中,许多科学家在组织工程领域主要集中在解决血管化的问题。然而,所有的努力证明适用性为大型固体组织甚至整个器官组织工程在人类迄今为止没有(纸看到[43])。尽管如此,组织工程已经成功地用于病人来替代有限的中空器官壁直径(气管、膀胱)或无血管的组织软骨(45- - - - - -47]。在这些情况下,扩散轨迹足以维持细胞生存。

4所示。间充质干细胞参与组织再生

间充质干细胞有能力迁移chemotactically显示炎症和组织损伤的生物(48]。除了其独特的能力分化成不同的细胞类型,间充质干细胞分泌多种细胞因子,发现显示抗炎活动和创建一个合成微环境(17]。此外,直接信息接触免疫调节也被证明。因此,他们以不同的方式参与受伤组织的再生。一方面,他们直接分化成组织细胞,从而替代受损或丢失。另一方面,他们间接影响组织再生可溶性因子的分泌。第三,他们可以调节炎性反应。因此,他们可以促进血管化,细胞增殖、分化和调节炎症过程(图2)。

的确,有证据表明msc提到的所有活动的组织再生在体外和在活的有机体内实验。msc分化潜力的广泛研究在体外。细胞被发现存在的潜力multilineage分化可能对各种各样的间充质细胞如软骨、骨、肌腱、脂肪细胞、成纤维细胞(69年]。激动人心的是,进一步的研究发现,msc分化能力似乎不限于属于间充质细胞谱系。他们能够区分显示对从其他生发层细胞,例如,神经元、神经胶质细胞、心肌细胞、内皮细胞和肝细胞(70年- - - - - -73年]。在活的有机体内实验和临床应用证实骨髓间充质灌输的能力在各种受伤组织和分化成组织细胞,从而替代失去的细胞功能(17,74年]。

在很多研究中,有利影响出现没有任何检测移植间充质干细胞应用于受损的组织,然而。此外,MSC蛋白质提取和条件培养基从MSC文化显示出类似的改善器官功能在肝脏疾病或心脏缺血75年,76年]。进一步调查msc透露,他们释放旁分泌因子例如igf - 1, HGF, VEGF, IGF-2, bFGF,或pre-microRNAs保护宿主细胞,促进细胞增殖,提高血管生成(77年,78年]。这些积极作用可能部分得到证实在活的有机体内,msc激活表达心肌中提到的一些因素,促进了血管生成(79年]。此外,msc分泌旁分泌因素,增强肺功能通过调节内皮和上皮通透性,减少炎症,促进组织修复,抑制细菌生长在急性肺损伤和急性呼吸窘迫综合征(80年]。有利影响的旁分泌MSC信号也可以证实在皮肤伤口的愈合81年]。最近发现潜在的旁分泌MSC信号受损组织甚至引起一些作者称MSC为“受伤药店”[82年]。

除了提到的分化潜能和能力通过分泌可溶性因子,促进组织再生msc固有非凡的免疫学特性。有越来越多的证据表明,细胞本身相对nonimmunogenic,他们很容易移植的不同个体之间没有启动免疫反应(83年]。此外,他们被证明存在抗炎和免疫抑制功能在体外和在活的有机体内,在那里他们可以调节免疫反应在不同的目标。他们抑制免疫细胞的成熟,像辅助T细胞毒性T和B细胞树突。此外,细胞表达的细胞因子能抑制炎症,例如TGF-beta1,不,prostaglandin-E2, HLA-G,肝细胞生长因子,il - 1017]。msc的显示抗炎作用开辟了广阔的领域可能的应用程序移植和免疫紊乱。确认几个动物模型的抗炎作用后,第一个有前途的临床应用取得了成功。在这些应用中,msc显示有利影响造血干细胞移植后移植物抗宿主病和克罗恩病(84年]。然而,第一个结果是有前途的,在活的有机体内应用程序似乎是相当安全的,没有严重的副作用报道。尽管如此,随机试验必须遵循先确认这些结果。

5。应用技术在骨科

区分有利的应用策略治疗的目的是一个重要的因素。如前所述,msc有可能重建受伤组织还分泌生长因子促进组织再生。根据潜在的病理,治疗策略大大不同。在一个病人一个大型组织缺陷必须由组织工程的方法,而在另一个实质性的缺陷是弥合与残余组织的低质量,只有一个改进的治疗环境。

除了直接喷射在周围组织,生物材料经常用作药物载体,生物活性分子和细胞。这些材料必须满足一些基本的需求。首先他们必须immune-compatible无毒,而降解过程必须释放有毒物质和tissue-toxic降解产物的浓度。为以后替代再生组织,可降解材料是很重要的。降解速度必须平衡太快和太慢都是有害的。旁边的这些品质,矩阵由生物材料必须有不同的属性对所需的组织。机械强度的前提、生物活性和降解动力学和药物/细胞释放明显有所不同修复组织。除了使用生物材料本身,支架的三维结构对细胞生长和分化有很大的影响。脚手架必须高度多孔的连通孔隙直径至少100μm允许长在肉内的细胞和血管85年]。孔隙大小在100年和400年之间μm是理想。

尽管组织工程骨,各种无机材料,如羟磷灰石、磷酸钙、碳酸钙、或眼镜进行了测试,主要是有机生物材料已经调查了脚手架的形成。这些自然是派生的,例如,胶原蛋白、纤维蛋白、琼脂糖、海藻酸、明胶、丝绸或透明质酸,或生产的综合。综合生产有机生物材料主要是polyhydroxyacids polyglycolides或聚等。控制降解动力学,最近的研究进行采用羟基酸共聚物。因此,它一直在试图适应动力学退化组织再生。

这些合成聚合物往往缺乏生物活性,其表面被修改来改变细胞粘附、迁移、分化和增殖在最近的研究。因此,涂层或共聚与生物活性材料或官能团连接到高分子链在脚手架制造(86年- - - - - -88年]。除了表面修饰与生物活性材料,支架涂层直接与细胞因子来控制植入细胞的增殖和分化(89年]。其他作者描述支架的涂层与基因向量进行转染的细胞有不同的生长因子(90年]。用于组织工程的生物材料可以携带药物,防止微生物殖民或控制灶支架到周围组织(91年,92年]。

5.1。肌腱修复

考虑腱组织的生理特性,应用技术通过支架与天然细胞外基质和细胞播种和粘附的能力将理想(93年]。基于这一假设,大多数当前的研究使用脚手架应用技术。支持直接应用的一些研究技术暂停MSC注入骨隧道或前腱骨表面再设立改善tendon-to-bone治疗(94年,95年]。

肌腱支架应用技术可分为胶体悬浮液,3 d支架坚实的组织,和混合动力技术。胶体悬浮液提供一个完美的3 d填充缺陷,但减少稳定相比,稳定矩阵可能导致损失的凝胶修复网站由于侵蚀。在兔跟腱模型中,庄et al。96年用纤维蛋白胶的混合物和骨骨髓来源间充质干细胞。纤维蛋白胶注入了肌腱和修复网站另外代理覆盖着。纤维蛋白结合临床使用多年的优点包括FDA批准,骨骨髓来源间充质干细胞仍然可行的纤维蛋白和公布的数据表明,纤维蛋白本身没有对肌腱愈合的影响(97年]。在这项研究中没有纤维蛋白和纤维蛋白之间的差异与MSC可以显示组织学检查。在治疗早期阶段(3周),显著提高生物力学性能记录但不是在随后的时期(6 - 12周)。在大鼠肌腱套模型中,Gulotta et al。98年)也使用MSC在纤维蛋白胶,把它重新装设前肌腱和骨肌腱之间。急性跟腱修复模型,他们没有发现任何明显的组织学和生物力学差异2或4周后,分别。值得注意,同一组最近成功地促进肌腱愈合肌腱套相同模型,应用使用胚胎转录因子MT1-MMP转染msc和肌腱转录因子scleraxis [99年,One hundred.]。胶原蛋白凝胶,Awad et al。101年)提出了一个进一步的凝胶应用技术。他们固定胶原凝胶与不同浓度的MSC缝合材料和缺陷在兔子的髌腱。12和26周后,明显高于最大应力和模记录相比,自然修复组织。然而,不良事件观察的数量已经增加intratendinous骨化(28%)。完整的肌腱相比只有25%的极限荷载与MSC。关于所有组,细胞浓度对结果没有显著影响。这个研究小组改善其应用技术,提出了一种混合动力技术在gel-collagen海绵复合(MSC) (102年]。在兔子髌腱模型中,生物力学特性和细胞排列在MSC组显著提高后12周。一个不同的矩阵Omae等人提出的在体外和在活的有机体内研究[103年,104年]。Xenotendon 50片的厚度μm是脱细胞与骨髓基质细胞播种。第一次绑定的结果构造在髌腱鼠模型显示所有层的基质细胞的生存。在活的有机体内结果与MSC尚未公布,但方法是有前途的。

总之,MSC在肌腱修复中的应用显示了承诺但不均一的结果在动物模型。当前的在活的有机体内数据支持MSC的文化到组织工程构造,基本稳定的优势,使细胞产生他们自己的细胞外基质。但是没有共识的理想载体构建。临床数据尚未公布对MSC在肌腱修复中的应用。

5.2。软骨

除了自体移植和自体软骨细胞移植,目前治疗软骨缺损的概念包括MSC的招聘。钻井、磨损或微裂缝的软骨下骨旨在招聘软骨下骨的MSC刺激软骨修复组织的形成。在实验和临床研究的标准技术,nonhyaline软骨纤维比例高的元素和劣质的功能被发现(105年]。

自体软骨修复各种两和三维结构。大多数的矩阵由天然多糖和蛋白质,如海藻酸和胶原蛋白。此外,合成聚合物也可以例如,聚乙二醇(PEG)和聚乳酸(PLA)。干细胞软骨组织工程的成功也依赖于细胞外基质的设计一个合适的msc分化为软骨细胞(106年]。最重要的属性,即机械稳定性,提供适当的cell-matrix交互促进组织生长和功能组织生长的能力。理想矩阵有足够的力量保护细胞不受轴向载荷和剪切力,保持稳定的高度粘合修复网站,拥有足够的孔隙度允许养分和分化因素扩散。目前,大量的在体外研究集中在优化三维矩阵。

越来越创新矩阵进行测试在活的有机体内动物模型。例如,Shafiee et al。107年)执行MSC-based软骨全层软骨缺损修复兔模型。他们用聚(乙烯醇)/聚已酸内酯(PVA / PCL)纳米纤维作为矩阵显示MSC增殖和chondrogenic分化的支持在体外。动物用MSC治疗显示一种改进治疗的缺陷与未经处理的控制。茶等。108年alginate-embedded MSC)用于焦软骨缺损的修复兔模型。他们比较宏观和组织学结果MSC和自体软骨细胞移植术后6个月。MSC有着相似的有效性作为软骨细胞移植,MSC甚至表现出更好的宏观得分。两个治疗导致上级组织再生与未经处理的控制缺陷。这些可喜的成果从实验室导致第一个临床研究关于软骨修复与MSC的支持。最早的数据情况下一系列Wakitani et al。109年,110年]。他们的表现从髂骨骨髓愿望和MSC扩大在文化。4周后,MSC移植使用胶原蛋白凝胶和缺陷是另外骨膜皮瓣覆盖。作者描述满足临床和宏观结果,但少数患者,回顾性研究设计和失踪的控制必须考虑。Nejadnik et al。111年)进行了匹配配对分析,在每组36例接受自体软骨移植或植入MSC。术后随访24个月后显示无显著差异的不同的功能膝盖团体之间的分数。

治疗骨软骨病变,布达et al。66年,112年)病变的临床结果发表在股骨髁和岩屑。距骨组,MSC是取自髂嵴和孵化与透明质酸膜()或胶原蛋白粉()在植入一个单步过程的缺陷。48例患者在临床及影像上检查术后平均为29个月。临床评分显示相比,明显改善术后MRI和组织学的分数而重新审视关节镜检查显示没有一个完整的透明软骨。20 MSC治疗患者的股骨髁满意的临床结果(IKDC 90.4分)也报道术后平均为29个月。MRI显示令人满意的集成贪污的80%的患者。而不是直接缺陷覆盖率,一些组织描述一个简单的MSC(内注入113年),与MSC的归巢能力的意图。Centeno等人报告关于注射的早期骨关节炎患者膝关节。在MRI跟踪6个月后,他们发现软骨相比体积增加点时间注入。

总之,临床使用的所有应用程序都是基于非常小的情况下。采用MSC应用技术从自体软骨细胞移植的临床经验(纤维蛋白,胶原蛋白凝胶,骨膜瓣)。可以推荐在临床使用,基础研究来优化应用程序技术,细胞制备、和浓度是必不可少的114年]。通过改进知识从基础研究进一步评估的临床潜力的MSC应用程序必须在执行大的随机对照试验。

5.3。骨

在骨再生医学方法的主要焦点在于萎缩性非联盟和替换丢失的骨组织。大骨缺陷通常是由创伤,感染,肿瘤,如萎缩性骨折不愈合通常是由血液供给不足引起的,席间的软组织感染后或结果。目前的治疗策略包括从髂嵴自体骨移植,这实际上是黄金标准和打捞procedures-autologous腓骨移植转移和外源的移植骨移植。然而,所有提到的技术显示的局限性,为骨供应是有限的,自体骨收获是伴随着高发病率和外源的移植本身就是传播疾病的风险或拒绝(115年,116年]。

在过去的二十年里,再生医学的方法都进行了广泛的研究来改善骨愈合,甚至产生功能性骨组织替代失去的骨头。许多在体外进行调查研究的适用性不同的干细胞类型为骨再生。这里,承诺对骨细胞分化的能力,提高骨折愈合和血管化可以证实胚胎干细胞和成年间充质干细胞。然而,由于上述伦理和安全问题,只有成人干细胞治疗目前考虑应用程序(63年]。在这里,间充质干细胞目前似乎是最有前途的候选人骨再生,由于其良好的成骨分化能力(69年]。

在体外试验发现,MSC强烈机械刺激后通过旁分泌促进血管生成因素,为骨折愈合过程中发生117年),这使得MSC更有趣的骨再生。血管生成的旁分泌增强骨再生也可以证实在动物模型在活的有机体内(118年]。

间充质干细胞的能力归航受伤组织已知的其他领域也骨折了。这里,间充质干细胞后显示迁移对骨折部位系统性应用程序在一个小鼠模型。研究进一步表明,细胞丰富,参与了骨折愈合通过旁分泌归纳组织愈合,减少全身和局部炎症,并分化成为骨细胞(74年]。然而,大多数的干细胞被困在肺部系统应用后,从而使本地应用程序更可行的骨再生(119年]。

不同的群体组成小骨突组织结构来实现在体外与各种不同的生物材料,通过组合MSC。植入动物,这些构造的几个幸存下来在活的有机体内(120年]。然而,研究人员没有成功创作至关重要的骨头碎片在较大的卷,甚至整个骨头。这是由于扩散呼吸道被超过200μ在200年之后。μm,扩散是不够给细胞提供氧气和养分。因此,功能性血管化是生存的先决条件的坚实的组织。到目前为止,在组织工程血管化的问题还没有解决,抑制组织工程方法的翻译到诊所(43]。

尽管如此,再生医学的骨愈合已经达到了形式的细胞疗法治疗方法的病人局部骨缺陷或系统性疾病的骨架39]。这里,自体骨髓或自体间充质干细胞成功植入的患者数量提高骨折/截骨术治疗,填充骨缺损,治疗假关节、骨囊肿,骨坏死,或者增强脊柱融合术。相关的临床应用总结在表1。

6。结论

当前数据提供了许多有趣的方法来治疗肌肉骨骼疾病与间充质干细胞的支持。但考虑到有限,部分临床前数据我们相信一个标准化的临床应用将需要至少一个额外的5至10年。为了实现完整的治疗性干细胞的潜力,一些开放式问题必须回答。除了建立进一步的数据本地干细胞功能的必要性和途径,基础研究的理解本机肌腱,骨骼,软骨再生也必须继续。特别是信号通路必须被理解,因为single-MSC应用程序可能不足或只是部分充分而适当的信号诱导组织再生。还必须提供适当的三维组织的再生,细胞外基质的结构包括生产和生物力学行为根据本地组织。因此,组织工程将扮演重要的角色在未来几年。在不久的将来,一个跨学科的方法与生物学家,工程师们,和临床医生将基本实现间充质干细胞的临床应用。

承认

作者感谢Fritz Seidl,马语言纠正。

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