文摘
在维持膝关节半月板中扮演着关键角色恒定性。膝关节半月板损伤比较常见,通常分为不同类型。然而,很难内无血管的自我修复半月板损伤。长期治疗半月板损伤导致半月板铝型材,逐步引发膝骨关节炎(OA)的发展。半月板损伤和膝关节OA的关系是复杂的。部分半月板切除术是治疗半月板损伤的主要方法,只有缓解短期疼痛;然而,这并不妨碍膝关节OA的发展。同样,其他目前的治疗策略在临床实践中内在的局限性。组织工程技术可能会解决这个挑战通过重建半月板具有一个集成的配置与主管生物力学能力。本文描述了半月板的正常结构和生物力学特征,探讨半月板损伤和膝关节OA的关系,并总结了半月板损伤的分类和相应的治疗策略从生理和病理的角度理解半月板再生。 Last, we present current advances in meniscal scaffolds and provide a number of prospects that will potentially benefit the development of meniscal regeneration methods.
1。介绍
半月板是膝关节的最常见的受损区域,一度被认为是“functionless残余的腿部肌肉的起源”[1]。半月板损伤的平均发病率在美国66/100,000 [2,3]。完全消除了半月板在1889年主要治疗半月板损伤,和这种治疗盛行了近80年4]。然而,许多随访影像学的研究从1960年代末到1980年代报道高频率的膝骨关节炎(OA)全部切除半月板后5- - - - - -7]。所有患者的临床随访结果还显示膝关节OA 14年后部分半月板切除术(8,9),这是当前治疗半月板损伤的主要方法。
半月板维持膝关节功能中起关键作用,包括传输负载,吸收冲击,稳定膝关节、提供营养联合(10- - - - - -14]。重要的是要确保膝关节半月板完整性维持体内平衡从外科治疗策略的角度来看(15- - - - - -19]。组织工程带来了新的希望与主管恢复一个完整的半月板的功能。本文总结了半月板结构和生物力学性质,半月板损伤之间的关系和膝关节OA的发展,病变分类,从生理和病理的角度和治疗策略。我们关注的进步组织工程半月板支架和提供一些再生策略,可能有益于半月板再生方法在未来的发展。
2。半月板结构和生物力学特性
2.1。半月板解剖
半月板是一对月牙形状的纤维软骨位于相应的股骨髁部和胫骨平台,分别(图1(一))[20.]。外侧半月板覆盖胫骨高原地区的近80%,而内侧半月板仅覆盖~ 60% (21]。半月板的几何适应相应的形状的股骨髁和胫骨高原。前和后插入附加的半月板韧带发挥关键作用,他们修复半月板胫骨高原(22]。血管和神经从周围的关节囊、滑膜组织只是穿透外的10 - 25%的成年人的半月板。因此,半月板通常可以根据血管和神经分布分为三个部分:外层血管/神经区域(红红带),内部完全无血管的/ aneural区域(白白区),和之间的交界区域(红白区)前两个地区。白白区没有很好的自我修复受损时(23]。
(一)
(b)
2.2。半月板成分和细胞特征
半月板具有高度异质性的细胞外基质(ECM)和细胞分布(24- - - - - -26]。半月板ECM组件是更复杂的比关节软骨。软骨具有齐次ECM成分,主要是由水(70 - 80%),胶原蛋白(50 - 75%),和粘多糖(笑话)(15 - 30%)27]。半月板ECM的分布是按地区分类。胶原蛋白I型> 80%的成分占干重,红红的地区,其余内容包含< 1%,包括胶原蛋白类型II, III, IV, VI,和十八14]。总胶原蛋白含量是白白地区干重的70%,而胶原蛋白类型II和我占60%和40%,分别。半月板的具体分布如图ECM组件2。
半月板细胞群分为三种类型根据不同地区和细胞形态(图2)[28]。外侧半月板的三分之一面积是由纤维母细胞、演示细长的形态。内三分之二的半月板地区主要包含fibrochondrocytes,这主要是椭圆形圆形。梭形细胞与半月板表面平行的表面区域。
2.3。半月板生物力学特性
半月板的解剖几何与其生物力学性质密切相关。半月板配置适应相应的形状股骨髁部和胫骨平台,它提供了一个相当大的接触面积增加膝关节(29日,30.]。创建拉伸环向应力在周长当膝盖熊一个轴向载荷,这压力试图挤出半月板膝关节(图3)。然而,公司在前部和后部插入附件韧带有助于防止挤压的半月板31日,32]。因此,完整的半月板占领相应的接触面积(60%)和股骨髁部之间的胫骨平台软骨,从而大幅度减少压力和保护胫骨软骨。相比之下,如果前部或后部插入韧带或外围环形胶原纤维断裂(33),加载传导机制的变化,这一过程会损坏胫骨软骨。
2.4。半月板损伤和膝关节OA的发展
半月板损伤是膝关节OA的发展密切相关,和他们的关系很复杂34]。半月板损伤最终会导致膝OA,膝关节OA也引起半月板撕裂;因此,通常配置半月板很少观察到膝OA患者(35,36]。受伤的半月板触发滑膜各种炎性细胞因子释放,这引起半月板退行性变化矩阵。这些退行性变化源于早期的眼泪可以逐渐发展成在胫骨软骨和半月板挤压,增加压力进一步加剧损伤(24]。此外,炎性细胞因子释放到OA关节同时作用于半月板软骨,因为他们有类似的ECM组件。因此,其他疾病引起的膝关节OA有害半月板和触发器相似的病理变化(25,26,37,38]。因此,自然之间的恶性循环形式半月板损伤、膝关节OA的发展(图4)。
2.5。半月板损伤的分类和治疗策略
损伤半月板在膝关节很常见。半月板损伤通常分为不同的年龄组。半月板损伤在年轻患者(< 40年)通常是由外伤或先天性半月板的疾病,而在老年患者(> 40年)往往是与退行性的眼泪(39]。一般来说,所有的半月板病变都可以全面分为八种不同类型根据Casscells分类(图5)[40]。然而,半月板损伤可以仅仅是临床上分为外围半月板损伤和无血管的半月板病变。
整形外科医生通常执行部分半月板切除术不可修理的情况下或退行性半月板损伤41]。然而,这种治疗策略并不能防止膝关节OA的发展。部分半月板切除术可能会降低股骨髁与胫骨平台之间的接触面积(35,36]。因此,半月板修复和重建技术得到太多的关注42]。年轻患者修复损伤,如纵向病变或损伤的血管区域,通常是更好的人选半月板修复。修复程序的类型由内而外、由外而内所有内部,修复增强。相比之下,越来越多的恢复半月板功能重建策略也已经被开发出来,包括同种异体半月板,小肠粘膜下层(SIS)移植,自体肌腱移植。Milachowski Wirth执行第一个免费异体半月板移植(1984年43]。异体半月板移植显著提高膝关节功能和减轻疼痛在相对年轻的患者经过短暂的后续44,45]。然而,是否给软骨异体半月板移植提供长期保护的利益仍然是有争议的,是异体半月板移植可以增加疾病传播的风险,减少材料特性,异体移植可以缩小46]。SIS和自体肌腱移植并没有取得令人满意的结果47,48]。
3所示。半月板支架的发展
3.1。Bioabsorbable合成聚合物支架(表1)
Bioabsorbable合成聚合物,如聚氨酯(PU),聚乙醇酸(PGA),聚乳酸,聚己内酯(PCL),被广泛使用,发挥了关键作用创造半月板支架(49]。这些聚合物提供了几个优势,比如多功能性,满意的生物力学属性和访问几乎源源不断。然而,合成聚合物的一些缺点包括他们的疏水性质,缺乏生物活性,以及生产的无菌性炎症或免疫反应。
科勒等人试图提高合成的生物活性支架通过添加聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)透明质酸/ PCL支架(62年]。他们的研究结果表明,支架与宠物表达更多的II型胶原蛋白mRNA和分泌更多笑话比那些没有宠物。众所周知,本机半月板胶原纤维排列压痕(11]。贝克和Mauck发达对齐(AL)支架电纺的(63年]。AL细胞组表现出一种形态,而不结盟(NA)组了一个多边形的形状。生物力学属性增加艾尔集团相比NA支架。因此,铝支架引导细胞生长和增强生物力学能力。同样,费舍尔等人使用一种修改电纺的方法产生压痕AL支架(64年),结果表明,播种少年牛间充质干细胞(msc)支架导致周细胞排列,类似于本机半月板。
科勒等人利用PGA强化了与PLGA(75: 25)制造meniscus-like支架(62年]。同种异体的半月板细胞被播种到支架在体外1周更换内侧半月板的兔子。染色结果显示,再生neomenisci类似于本机半月板;然而,neomenisci没有防止胫骨关节软骨退化,和软骨退化严重的梗塞部位组比nonseeded组。等人用透明质酸和PCL总销售和部分半月板支架修复缺陷在羊65年]。这些支架植入前没有种子细胞。植入保留它的形态和位置停留了6周。组织学结果显示,植入物和本地半月板集成,和大量的血管形成坚定债券胶囊,这是由synovial-like组织。然而,体重导致挤压和不可避免的退化软骨的总体和局部移植组但软骨变性略低于空白对照组。
这部小说可生物降解Actifit植入(Orteq运动医学、伦敦、英国)是一种非细胞半月板支架组成的聚氨酯(20%)和PCL (80%) (66年]。相互连通的孔隙结构提高血管生长和再生的半月板半月板墙。研究期间使用Actifit部分半月板切除术13个只是显示出成熟的羊再生修复组织渗透手术后6 - 12个月(58]。Actifit也被应用于临床治疗部分半月板损伤。作为结果,动态对比增强磁共振成像(DCE-MRI)显示成功组织生长的支架在35岁3个月后43例(81.4%)患者(67年]。相比之下,43岁的44例(97.7%)患者显示集成本机半月板手术后12个月,和组织学结果显示连续的组织再生。Baynat等人表明,正常软骨细胞和fibrochondrocytes 18例渗透到替代1年post-Actifit植入(61年]。所有患者恢复日常活动,九回到他们以前的体育活动水平手术后2年。此外,MRI显示没有替代受损或退化的相邻的软骨。
4所示。来自生物可吸收支架组件(表2)
来自生物可吸收支架组件都非常有前途。他们可以分为ECM-related支架和生物支架。
石等人报道了共聚collagen-based支架来自牛跟腱修复小计半月板切除术在狗没有种子细胞(79年]。植入组显示大量meniscus-like再生在15 24(63%)关节,12比3(25%)再生半月板nonimplanted控制关节。相比之下,联合总外表分数和墨汁考试成绩无显著差异。基于这些结果,胶原半月板移植(CMI)没有种子细胞应用于一个多中心临床试验80年]。CMIs被植入患者的慢性和急性半月板损伤并与部分半月板切除术组。活检植入后1年表明,一些meniscal-like组织再生和综合与主机半月板rim慢性组。这些病人恢复更多的流动性和需要手术比对照组少。作者得出结论,改善临床结果可以再生meniscal-like组织的结果。然而,CMIs没有改善急性半月板损伤患者的临床结果。
Monllau等人报道后植入CMIs的临床结果至少10年的随访(74年]。25的患者CMI替代报告显著缓解疼痛和功能改善没有任何膝关节退行性疾病在大多数情况下。然而,这是一个非随机试验和缺乏对照组,这限制了结果的可信度。Zaffagnini等人进行了一项队列研究最低10年随访期间(75年前者报告),获得类似的结果。必须进行长期的大样本随机对照试验来证实CMI替代的好处。
棕褐色等人发现,去分化的老鼠或人类半月板fibrochondrocytes可以使用chondroitin-6-sulfate逆转——(c6)涂在扩张而非胶原蛋白I / II表面的单层72年,81年]。他们证明upregulation胶原蛋白II和aggrecan基因表达和蛋白多糖生产。那些作者捏造c6脚手架和探索三维(3 d)条件和氧张力效应cell-C6S脚手架构造。结果表明,三维文化在缺氧条件下加强fibrochondrocyte再分化能力。
丝绸是一组纤维蛋白(82年)广泛应用于组织工程软骨形成,骨、韧带工程和其他方面。丝绸具有优越的生物力学功能、通用的加工性能和良好的生物相容性和降解性(控制83年]。Mandal等人使用蚕丝蛋白家蚕蚕茧的概括一个多层多孔支架,模仿本土半月板结构和形态(76年]。人类的主要成纤维细胞被播种到外面的支架,和人类原发性软骨细胞内被播种到复制正常半月板细胞分布。结果表明,构造增加了细胞结构和ECM chondrogenic文化条件下内容。此外,抗压模量和拉伸模量随着时间的增加;然而,他们仍然不如本地的半月板。此后不久,同样的作者使用人类骨髓干细胞构建组织工程半月板的多层支架和获得相似的结果77年]。
细菌纤维素(BC)是一种多糖的合成Gluconacetobacter xylinus细菌(78年]。公元前在组织工程有许多优势,如优越的生物力学能力,高吸湿性和结晶度,和良好的生物相容性。公元前已应用于血液,血管、软骨、骨组织工程,以及治疗烧伤(84年]。博丹等人相比BC凝胶胶原材料的生物力学特性和猪半月板85年]。公元前凝胶的压缩模量在10%应变(1.8 kPa)五倍优于胶原半月板移植(0.23 kPa);然而,它不如本地猪半月板(21 kPa)。在另一项研究中,马丁内斯等人伪造一个公元前微通道脚手架播种3 t6小鼠成纤维细胞相比,动态压缩的静态文化(78年]。结果表明,微通道结构定向的发展3 t6纤维母细胞,分泌胶原纤维。同样,动态刺激提高胶原蛋白的生产。
5。水凝胶支架
水凝胶已被用作半月板支架因其noncytotoxic和不溶性的特性。丙烯酰胺水凝胶是由聚N-isopropyl或海藻酸14]。这些材料能吸收大量的水(> 90%),这决定了他们的物理性质也表现出伟大的多功能性,可以有利于均匀混合种子细胞、生长因子,或创造合适的形态(86年]。然而,水凝胶支架有可怜的拉伸能力和生物活性。
聚乙烯醇alcohol-hydrogel (PVA-H)具有良好的粘弹性性能和生物相容性。小林等人开发PVA-H人工半月板替换有缺陷的半月板。机械测试证实PVA-H人工半月板有相似的机械性能的原生半月板(87年]。PVA-H人工半月板植入组显示正常关节软骨条件1,1.5,2年手术后在兔子的研究(88年- - - - - -90年),没有磨损或破坏PVA-H人工观察半月板。然而,膝OA发现半月板切除术后1年,继续进步。这些结果表明,PVA-H人工半月板一样主管本机半月板和未来潜在的临床应用。
甘等人建造了一个3 d丙烯酸甲酯明胶(GelMA)半月板支架使用投影有限元模拟原生胶原排列(91年]。作者选择了人类avascular-zone半月板种子细胞在支架2周chondrogenic文化,然后植入支架有缺陷的半月板。三星期的术后结果证实GelMA支架是无毒和导演cell-aligned增长。萨瑞姆等人的大孔多层明胶(G) /壳聚糖(Cs)支架(92年,93年]。c与G不仅提高了Cs的生物活性,而且可以提高水力和氧气和养分转移,因为G的亲水性(94年]。石田等人研究了富含血小板血浆(PRP)结合明胶水凝胶支架加强半月板再生(95年]。PRP准备容易从患者的血液离心和富含生长因子,如血小板源生长因子、胰岛素样生长因子- 1、转化生长因子β我(TGFβ我)[96年]。研究结果表明,PRP提高再生的有缺陷的无血管的半月板。同样,Simson等人进行骨髓(BM)和硫酸软骨素(CS)来提高水凝胶支架的再生能力97年]。他们的研究结果表明,BM改进fibrochondrocyte可行性,扩散,和迁移,而CS提高粘合强度和矩阵生产。在另一项研究中,Ballyns等人构建一个成型半月板使用海藻酸和调查media-mixed之间的交互和设计组织(98年]。结果证实,适当提高混合生物力学特性和设计结构矩阵的积累。
6。脱细胞半月板支架
脱细胞半月板支架不仅为细胞提供一个合适的微环境,也适当保留半月板几何。然而,一些挑战,应向获得理想的半月板支架。
种子细胞很难均匀渗透脱细胞半月板。高浓度的骨形成protein-2 (BMP-2), TGF -的成员β总科,刺激MSC分化,会影响细胞迁移。Minehara等人使用重组人骨形态形成protein-2 (rhBMP-2)加载在人类半月板solvent-preserved诱导软骨细胞迁移到脱细胞半月板(99年]。结果表明,rhBMP-2诱导软骨细胞的迁移,提高蛋白多糖生产在体外。种子细胞分布的挑战可以解决在体外通过充分利用这些类型的外生趋化因子。
Sandmann等人使用十二烷基硫酸钠(SDS)作为主要原料decellularize人类半月板(One hundred.),结果表明,该方法保留了胶原蛋白的结构。生物力学评估结果使用重复的球压痕试验(刚度、N / mm;残余力量,N;相对压缩力,N)在处理组织类似的完整的半月板,和组织学结果显示没有残余细胞。Stapleton等人组成的一个复杂的脱细胞过程未遂冻融周期,SDS,消毒使用过乙酸(101年)获得脱细胞支架。因此,支架保存完好的结构蛋白和生物力学特性和没有细胞毒性。
迈尔等人使用自主研发的酶处理对绵羊的半月板(102年]。他们的研究结果表明,原生细胞和免疫原性蛋白(MHC-1 / MHC-2)是完全移除,同时保留重要的生物力学特性。稳定等人相伴去细胞和氧化过程应用于提高孔隙度(103年]。脱细胞支架的孔隙度增加在某种程度上,和支架没有细胞毒性。此外,Azhim等人使用一种新颖的声波降解法生产脱细胞牛去细胞系统半月板支架(104年]。这些支架具有良好的生物力学特性,类似于本机的半月板,免疫原性细胞组件被移除。然而,声波降解法治疗显著改变本机ECM组件和胶原纤维排列。
7所示。未来前景半月板再生
未来组织工程半月板策略应注重构建整个膝关节功能单位保持体内平衡。构建一个低等的生物力学半月板防止适当的膝关节功能。Messner和高使用半月板及其插入到骨(entheses)代表一个功能单元(20.),包含与前部和后部韧带和半月板的身体entheses(图1 (b))。这个单位可以组织工程半月板的未来发展建议。
三维印刷可能受益的发展理想半月板支架仿生结构和有益细胞生长的微环境。李等人制作的3 d打印小说人类半月板支架完成主要胶原排列用PCL富含人体结缔组织生长因子和TGF -β3 (105年]。
半月板解剖要求整形应用程序,可以通过先进的成像。Ballyns等人产生了组织工程半月板首次基于半月板解剖几何用microcomputed断层扫描和磁共振成像(106年]。因此,半月板的完美结合单位,3 d打印技术和医学成像技术可以直接实现膝关节半月板组织工程的未来发展恒定性(107年]。
8。结论
支架的研究是半月板组织工程的基础。然而,必须共同努力探索其他选项,包括种子细胞和适当的生物和生物力学刺激。准备不足支架,仅仅是仿生半月板组成和结构。关键的问题是如何获得优秀的本地半月板的生物力学功能。未来的工程半月板应该把这些优势来实现一个个性化的组织类似于本机半月板。
缩写
| 艾尔: | 对齐 |
| 公元前: | 细菌纤维素 |
| BM: | 骨髓 |
| Cs: | 壳聚糖 |
| c6: | Chondroitin-6-sulfate |
| CS: | 硫酸软骨素 |
| CTGF: | 结缔组织生长因子 |
| CMI: | 胶原半月板移植 |
| DCE-MRI: | 动态对比增强磁共振成像 |
| ECM: | 细胞外基质 |
| 笑话: | 粘多糖 |
| 低氧诱导因子: | 低氧诱导因子 |
| IGF-I: | 胰岛素样生长因子 |
| MHC 1 / MHC 2: | 重大复杂histocompability 1 / histocompability复杂2 |
| 核磁共振成像: | 磁共振成像 |
| msc: | 间充质干细胞 |
| GelMA: | 甲基丙烯酸酯胶 |
| μCT: | Microcomputed断层扫描 |
| 旅客: | 明胶 |
| 拿拿淋: | 不结盟 |
| 办公自动化: | 骨关节炎 |
| PDGF: | 血小板源生长因子 |
| PRP: | 富含血小板血浆 |
| 宠物: | 聚对苯二甲酸乙二醇酯 |
| 职业: | 聚乙醇酸 |
| 计划: | 聚乳酸 |
| PLGA: | 聚丙醇co-glycolic酸聚乳酸纤维 |
| PCL: | 聚己内酯) |
| 菩: | 聚氨酯 |
| SDS: | 十二烷基硫酸钠 |
| 姐姐: | 小肠黏膜下层 |
| TGFβ我: | 转化生长因子β-我。 |
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
作者的贡献
所有作者都参与起草论文,所有作者出版批准了最终版本。
确认
这项工作由北京大都市北京新星计划(2011115),中国国家自然科学基金(通用项目)(31170946),国家自然科学基金(青年项目)(31100696),国家自然科学基金(81472092)、中国国家高技术研究发展计划(2012 aa020502),中国人民解放军第12个五年计划时期(关键程序)(BWS11J025),中国的国家基础研究计划(973计划)(2012 cb518106),中国国家自然科学基金(重点项目)(21134004),和新药物的特殊科学技术部。