开发的合成和天然材料使用脂肪干细胞组织工程应用程序

文摘

脂肪干细胞在组织再生具有突出意义由于其丰度和相对轻松的收获从脂肪组织和他们的能力分化成各种组织的成熟细胞细胞系和分泌各种细胞因子增长。组织工程技术的发展结合各种载体支架和脂肪干细胞提供了巨大的潜力在克服现有的限制约束古典方法用于整形外科。然而,大多数组织工程技术新和高度实验,仍然有许多现实的挑战之前,必须克服实验室研究可能导致大规模的临床应用。组织工程是目前越来越多的医学研究领域;在本文中,我们将讨论生物材料和组织工程支架的研究进展应用脂肪干细胞。

1。介绍

脂肪干细胞(对asc)有可能分化成不同的细胞表型如果有一个特定的诱导微环境使用合适的归纳物质[1- - - - - -3]。同时,其丰度和相对易于收获,连同他们的自immune-privileged地位,也使他们有吸引力的候选人组织工程和再生疗法(4,5]。

组织工程支持组织和器官的再生或修复通过干细胞的组合、生物材料支架,和监管生长因子(6,7]。ASC-based组织工程策略主要取决于所使用的ASC的质量分数。尽管大量的研究已经进行了评估在不同的运营商对ASC的分化潜力,仍存在一些不清楚的方面对ASC生物学的基础知识和临床应用。这些包括以下几点:(i)对asc最好的定义是什么,什么是真正的大自然的分数对asc所使用的各种调查人员吗?(2)之间的异质性存在对asc刚对asc孤立和扩大在几个段落文化?(3)什么是最好的程序获取脂肪组织,准备间质血管分数(SVF),对asc和隔离?(iv)什么是最好的银行和细胞细胞冷冻保存的程序?过去的几年中看到了令人兴奋的进步使用各种生物材料在组织工程和再生医学和支架8- - - - - -11]。自然和合成材料开发提供一个理想的载体支架应该模仿细胞外基质(ECM)的属性在活的有机体内微环境诱导组织形成(12,13]。如今,高效的生物材料和支架的发展仍处于高临床可用的卷的生产需求的新组织替换丢失或发生故障的部位,实现简单的伤口愈合。

是至关重要的脚手架材料不仅能积极与周围组织填补缺陷,但也促进干细胞的自然再生。重要一直努力开发这样的组织工程支架的应用程序(14- - - - - -16]。例如,电纺的,光刻技术、精密加工和制造的自组装技术已经广泛地探讨组织工程支架适合特定的应用程序。考虑使用这些工程支架在体内,他们应该具有以下特点:(i)占有适当的表面性质,促进粘附,增殖,分化的干细胞;(2)低毒性和免疫原性;(3)高孔隙度;及(iv)适合特定组织降解性,与一个相互联系的孔隙网络对细胞生长和流运输营养物质和代谢废物。本综述的目的是概括的进步领域的生物材料支架发展和各种程序ASC选择组织工程应用和回顾一些临床病例ASCs-based促进会组织工程策略。

2。对asc在再生医学生物学的基本知识

在过去的十年中,大量的细胞特性的研究对asc的潜在生物学描述(17- - - - - -33]。临床前研究对asc的使用在体外和在活的有机体内已经执行,对asc的功效已经决定在几个临床试验(34- - - - - -40]。与骨髓或脐带干细胞相比,对asc有相似的自我更新能力在体外,对asc的能力区分在其他中胚层和外胚层的血统已经证明在一些场合(1,41- - - - - -45]。此外,对asc释放多种生长因子,如两个关键因素血管内皮生长因子(VEGF)和肝细胞生长因子(HGF)。其他因素包括VEGF-B VEGF-C,纤维母细胞生长因子(FGF) 2,检验- (Ang) 1, Ang-2, SPARC /骨粘连蛋白、血小板源生长因子(PDGF - b),转化生长因子(TGF)和基质细胞衍生因子- 1 (SDF-1) [46]。然而,对asc的具体人口最大的治疗潜力尚不清楚。自1960年代末的初步报告(47),许多研究人员已经证实骨髓间质干细胞类似发现可以从脂肪组织分离,切除完整组织或吸气用肿起的抽脂(17,48,49]。一般来说,获得的脂肪组织消化与下列之一:胶原酶,dispase胰蛋白酶或相关的酶。存在一个共识关于温度(37°C),消化时间乘以(> 1 h范围内,30分钟),和组织重量与体积的比率;然而,蛋白酶浓度更变量。酶和差速离心的中和后,释放元素,与成熟的脂肪细胞分离,被定义为SVF。SVF由异构的间充质细胞,包括人口不仅脂肪基质和造血干细胞和祖细胞内皮细胞,红细胞,成纤维细胞,淋巴细胞,单核细胞/巨噬细胞和周(17,50,51]。的表型鉴定SVF,国际联盟脂肪治疗和科学(IFATS)和国际社会细胞治疗(ISCT)提出了基质的细胞群,除造血和内皮细胞,基于以下组合:CD45−CD235a−CD31−CD34 +和额外的标记用于识别SVF CD13 (APN) CD73 (L-VAP-2), CD90 (Thy-1)和CD105 (Endoglin)。基于现有文献,这种人口组合SVF代表至少20%的细胞(52- - - - - -56],CD34 +细胞的比例主要取决于所使用的方法获取脂肪组织,血管出血的程度,和随后的消化和隔离技术。除了酶消化的方法分离SVF细胞使用机械、非酶的技术已经开发最近,和一些已经应用于临床实践57- - - - - -59]。

当SVF丸播种到文化,细长的细胞开始坚持的一个子集的底部的塑料细胞培养板。后清洗步骤和文化扩张与媒体移除大部分的造血细胞的人口SVF细胞,这些细胞纯化对asc作为附着的细胞群称为。对asc不如SVF异质细胞和有能力进行自我更新和能力接受multilineage分化和生成多个终末分化细胞在特定lineage-inducing培养基培养。SVF细胞和ASC停赛一个主要区别是SVF CD45 +细胞比例高的细胞群(30 - 70%)和低或察觉在ASC人口比例(2 - 30%)。对asc通常表达CD34 +文化在早期阶段(在8 - 12人口倍增后的文化SVF),但是它的表现和持续降低细胞分裂(51,55]。联合声明由IFATS ISCT建议表面抗原用于描述应该包括CD73也没有CD45和CD31 CD90、CD34。此外,CD13也被提议作为替代或补充CD105 [17]。到目前为止,大多数实验研究小组对asc孤立了组织消化,离心分离,对asc的能力遵守细胞培养塑料表面(9,43,60]。然而,粘附细胞的人口也包含其他细胞类型不multipotential [61年- - - - - -63年]。为了克服问题的“污染”,许多方法已被提出,包括magnetic-activated细胞排序(mac)和fluorescence-activated细胞排序(流式细胞仪)。流式细胞仪是一个典型的细胞浓缩方法,利用互补的荧光染料结合抗体标记细胞。然而,分类细胞获得流式细胞仪可用于诊断和实验目的而不是治疗由于安全性和有效性问题64年,65年]。mac antibody-aided技术基于immunomagnetic珠子干细胞表面涂以特定的抗体分子,它在技术上是容易和便宜。从临床应用的角度,mac与可生物降解的磁珠胜在流式细胞仪上的安全,这是唯一被批准用于临床的设置方法(61年,66年- - - - - -68年]。

临床研究成人基质细胞人口加速,和多个临床调查正在进行中,以检查对asc和SVF细胞用于组织工程和再生医学应用(22,69年,70年]。实现所需的大量对asc临床应用,细胞需要扩大在文化或对asc从多个捐献者必须集中。因此,干细胞银行的发展是必要的。这些银行必须保证这些细胞产品的质量和安全,特别是对asc仅供临床使用存储在细胞治疗和再生医学。低温贮藏这可能是一个理想的选择,目前唯一的方法来保护对asc,同时保持其功能特性和遗传特征在长期71年- - - - - -73年]。缓慢的冷冻和玻璃化冷冻保存的当前可用的方法干细胞在实验室和诊所74年- - - - - -78年]。玻璃化只适用与人类细胞的冷冻保存在小卷,如卵母细胞,但它对asc大量是不合适的79年,80年]。此外,玻璃化技术要求较高的冷冻保护剂剂的浓度,导致毒性和细胞和组织的渗透压力。缓慢冷冻是一个既定的技术起源于1970年代,涉及到同行生物样品在冷冻利率加以控制,以避免胞内冰的形成和减少结构性破坏细胞膜和细胞骨架81年,82年]。以相对较低的浓度(冷冻保护剂使用代理21在缓慢的冻结,已成为细胞和组织冷冻保存的标准方法。然而,冰晶的形成,极端hyperosmolarity和脱水仍报道当细胞接受缓慢冷冻过程。二甲亚砜(DMSO)是使用最广泛的cryopreservant细胞,但它在室温下是有毒的。海藻糖是一种无毒的二糖葡萄糖的稳定和保护细胞和细胞结构在冻结过程。低温贮藏方法建议使用海藻糖作为冷冻剂对asc的长期保存而简单的低温贮藏或单独使用DMSO低温贮藏。聚乙烯吡咯烷酮和甲基纤维素等冷冻保存剂,取代了DMSO溶液;然而,他们不如DMSO溶液的高效维护ASC可行性(75年]。

脂肪干细胞再生医学是一种很有前途的细胞来源。重要的是要理解背后的基本知识和生物干细胞,还需要进一步研究,以保证对asc的安全使用对asc和组织工程的有效性。

3所示。进步对asc组织工程应用程序使用合成材料

提供一个合适的微环境细胞组件与细胞外基质(ECM)是正常组织的一个重要组成部分,必须考虑。各种合成材料开发提供载体支架,模仿ECM属性对asc组织再生和重建结合(表1)。合成材料的优点和支架依赖技术,化学和物理性质(如孔隙度、表面特征和自然降解产物)可以专门为特定的应用程序优化83年,84年]。理想情况下,聚合物材料用于组织工程应该能够调节细胞增殖没有多能性的丧失和直接分化成特定的细胞谱系。棕褐色等人描述TiO的影响₂nanofibrous表面结构,产生原位Ti-6Al-4V衬底上通过热氧化过程,在监管对asc具备干细胞的增殖和保护。结果表明,对asc展览TiO更好的附着力和显著增强扩散₂nanofibrous表面比平面控制面,从而呈现一个有前途的潜在TiO的应用₂nanofibrous表面在骨组织工程领域和再生疗法(85年]。虽然已经完成开发组织工程皮肤替代物在过去的十年里,可怜的可视化,肥厚性瘢痕,瘢痕疙瘩的形成仍可能产生的负面结果对当前的皮肤移植策略(86年- - - - - -88年]。为了克服这些局限性,Zonari等人提出的结合对asc保利(3-hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) (PHBV)结构诱导皮肤再生全层模型。在这个工作中,PHBV支架具有良好集成与周围组织,允许分泌和炎症细胞的浸润,可能导致快速退化。此外,PHBV支架提供了一个潮湿的环境加上僵硬的人物经受收缩,同时刺激分泌多种生长因子对asc播种;这些因素增强血管化和ECM沉积减少疤痕。最终,这项研究揭示了伟大的优点对asc PHBV富含改善伤口愈合和皮肤再生和减少疤痕皮肤组织工程(10]。促进组织工程再生治疗依赖于快速血管化的组织结构,和工程三维生物材料已知影响播种的血管生成能力的干细胞(89年- - - - - -91年]。共聚物聚乙二醇纤维蛋白(P-fibrin)介绍了凝胶涌等人作为鼓励地方ASC-carrying支架血管生成在一个在体外文化模型没有添加可溶性因子。对asc P-fibrin凝胶,引起血管性血友病因子表达高于两个常用的水凝胶(即。胶原蛋白和纤维蛋白)。经过7天的培养,血管内皮生长因子(VEGF)分泌胶原纤维蛋白和P-fibrin凝胶比;其他一些血管生成和免疫调节细胞因子也增强。此外,P-fibrin矩阵是唯一能够驱动vessel-like表型对asc和诱导组织良好的血管网络相对于其他凝胶的形成。因此,可以推测,研究对asc的再生潜力载体支架可以扩大到包括心血管和皮肤组织工程应用基于观察到的血管生成属性对asc的P-fibrin [91年]。播种机械细胞适当的支架和应用特定的机械刺激这些细胞被发现是有益的增殖和分化92年,93年]。Frydrych等人报道大型和灵活的三维多孔聚癸二酸丙三醇酯(后卫)/聚(L-lactic酸)(丙交脂)混合支架力学性能与脂肪组织通过冷冻干燥是捏造和随后的治疗过程。在体外单元测试结果提供了明确的证据表明,后卫对asc /丙交脂支架适合的文化,他们的特点是深层细胞渗透和ECM的增长。这项工作表明,动力/丙交脂支架提供了有利的多孔微结构,良好的亲水特性,和合适的软组织力学性能的应用程序(93年]。神经组织具有非常有限的能力,新的功能神经元在神经损伤后再生,使用干细胞和组织工程神经组织可能对神经再生作为一个不错的选择。然而,这些干细胞需要增殖并分化成所需的表现型的帮助下足够的化学、机械、生物刺激再生(94年- - - - - -96年]。Catalpol是一个自然的从中药中提取的有效成分。郭等人的影响评估catalpol-loaded脚手架hASCs引导神经分化。在他们的研究中,catalpol加载到的过程实际上电纺聚(lactic-coglycolic酸)/微碳纳米管/丝素蛋白(PLGA /碳管/ SF) nanofibrous支架被成功建立。由于添加catalpol,纳米纤维的直径和孔隙度的增加而减少。此外,复合支架的机械性能得到改善,更neuronal-like细胞被发现与catalpol支架(95年]。软骨的可怜的自愈能力的发展需要软骨再生的方法。支架的制造干细胞结合生活和随后的分化会是一个不错的路线(97年,98年]。太阳et al。99年]报道使用visible-light-based PSL (VL-PSL)系统封装hASCs成可生物降解聚合物(poly-D, L-lactic酸/聚乙二醇/ poly-D L-lactic酸(PDLLA-PEG)] /透明质酸(HA)产生活细胞结构的矩阵与定制架构。在chondrogenic medium-treated集团(TGF -β3组),hASCs显示高生存能力(84%)和chondrogenic基因表达Sox9、胶原蛋白II型,和aggrecan上午11,232,2.29×10⁵褶皱增加,水平相比,分别在第0天nonchondrogenic媒介。28天后,TGF -的机械强度β3组仍高达240 kPa。因此,PSL和PDLLA-PEG使用对asc / HA-based制造方法是一种很有前途的方法生产机械主管工程软骨。

因此,合成材料提供更大的控制载体支架的机械和生化特性和代表一个有前途的工具在组织工程和再生医学One hundred.]。

4所示。的发展对asc组织工程应用程序使用天然材料

按照整形手术规则”取代,“天然材料最近被认为是组织工程应用的一个有吸引力的选择。天然材料为组织工程支架选择本地ECM的化合物或聚合物从其他生物系统中提取12,101年]。证据表明,天然材料可以表现类似于ECM和具有生物相容性,生物降解能力,固有的生物功能,使它们适合于组织工程的应用范围(102年- - - - - -105年]。在过去的几年中,各种天然材料已成为用于组织工程策略(表2)。其中,脱细胞细胞外基质受到越来越多的关注(106年- - - - - -110年]。在组织去细胞,细胞退出组织,但本机超微结构和ECM的合成高度保护,预计能够直接播种干细胞的分化命运111年]。脱细胞的结合使用人类脂肪组织细胞外基质(hDAM)和人类脂肪干细胞(hASCs)作为脂肪组织工程策略是首先介绍了王et al。12]。在这项研究中,工程脂肪移植(hDAM结合hASCs)植入裸大鼠皮下注射。结果表明,hASCs播种hDAM导致脂肪组织形成;植入工程脂肪移植为八周保持卷。因此,这项研究提供了一个平台和新的hDAM-hASC脂肪组织工程支架的设计结构。目前软骨组织工程技术迅速发展,努力专注于建立一个合适的软骨细胞支架。非细胞软骨基质(ACM)获得使用一系列的非细胞操作,从新鲜的软骨是最近开发的天然基质材料。王等人报道,修复关节软骨的缺损已经实现对asc和非细胞软骨基质在兔子112年]。组织工程软骨组(ACM结合对asc) 12周后,关节软骨缺陷满心位于组织表面光滑和富含葡聚糖和II型胶原蛋白,类似于正常的关节软骨。虽然软骨组织工程的发展仍处于起步阶段,在这项研究中获得的非细胞软骨基质在软骨再生医学提供了巨大的潜力。最近,一位脱细胞肝脏三维矩阵支架已被证明能够促进活动和功能的肝细胞和干细胞113年- - - - - -115年]。张和盾(113年)比较了肝原性的differentiation-inducing脱细胞效果肝脏三维矩阵脚手架和一些细胞外基质,包括胶原蛋白、纤连蛋白和基底膜基质结合小鼠脂肪间充质干细胞在体外。结果清楚地表明,脱细胞肝ECM凝胶,在自己的或生长因子的存在,可以显著提高肝分化与其他矩阵相比对asc支架;这说明肝脏DCM的可行性作为bioscaffold肝再生医学和组织工程。论文,产生了从自然资源,可以提供大量的生物相容性和成本效益的公平的属性(116年]。因此,论文可能有潜力建立组织工程支架治疗的应用干细胞。公园等人报道的基于纸张的生物活性支架的可行性hASCs首次应用修复骨组织缺损(117年]。在这项研究中,论文支架从三种类型的商业票据准备材料:称量纸(WP),纸色谱法(CP)和擦拭组织(WT),之后一个高分子涂层的方法,称为启动化学汽相淀积(iCVD)是用来涂纸支架实现良好的生化表面性质(例如,粘聚性、耐水),在不损害支架。结果表明,成骨分化hASCs osteogenesis-inducing条件下被诱导在纸上支架在活的有机体内,表明论文材料具有巨大的潜力作为生物活性,功能,和具有成本效益的天然脂肪干细胞细胞介导骨组织工程支架。不溶性(derivatized或交联)形式的HA都进行了广泛的调查用于组织工程由于HA在细胞外基质的作用以及其生物相容性,nonimmunogenicity,高吸湿性、容量降低到安全产品(118年- - - - - -121年]。德里奥等人的分化潜能评估结构由一个新的交联对asc公顷(XHA)脚手架上喜欢的《忍者外传2》+被加载。三十天在小鼠移植后,喜欢的《忍者外传2》对asc +经历了一个完整的肌原性的分化和伪造人类骨骼肌组织,表明肌肉再生一个非常重要的步骤,而不需要之前在体外肌肉分化的步骤(121年]。

总之,自然材料的应用程序目前在再生医学领域的进步。天然材料的优点是生物相容性和机械和生物属性一致在活的有机体内特性,使它们完美的适合组织工程领域。除了上面提到的近代材料,组织工程的其他常用的天然材料包括胶原蛋白(122年- - - - - -125年),透明质酸(126年),人工基底膜(127年,128年)和壳聚糖(129年]。

5。临床应用不同的载体支架在组织工程对asc结合策略

再生医学的重要角色在这个世纪是基于细胞疗法,其中对asc举行关键部位(130年- - - - - -135年]。最近,许多在体外和一些在活的有机体内研究在结合使用对asc载体支架在临床试验网站可以通过搜索和发现。然而,使用培养的干细胞在临床的设置是由世界各地的政府法规,严格控制,很大程度上限制了对asc在再生医学中的应用。同时,韩国和日本的整形外科医生中扮演主要角色在组织工程对asc开创性的使用比其他任何西方国家由于更严格的政府法规。

众所周知,糖尿病溃疡和慢性辐射溃疡是臭名昭著的复发,或未能治愈病人由于衰弱或局部血液供应条件差。介绍了几种传统的重建手术患者慢性愈合的皮肤病变(136年,137年]。目前,金和宋报道微创方法使用脂肪干细胞疗法和胶原海绵支架,这是覆盖着一个人工真皮(Terudermis®)处理慢性糖尿病溃疡的膝盖。两周后应用程序中,维管组织长在肉内的病变区域,因此皮肤移植术可以放在新工程血管床(5]。复杂的瘘管难以管理。目前有限的外科手术常常导致高复发率,而广泛的手术可能会引起大便失禁。最近的一个改进,在治疗复杂瘘管可能对asc的使用结合纤维蛋白胶支架被Garcia-Olmo et al。138年]。在这项研究中使用的纤维蛋白胶含有人体纤维蛋白原,牛抑肽酶对asc和人类凝血酶,从lipoaspirated脂肪组织分离。最后治疗8周后,观察瘘治疗17例(71%)患者24收到纤维蛋白胶+对asc,相比4(16%)的25病人单独纤维蛋白胶。治疗患者的比例强烈表明,纤维蛋白胶支架的结合和对asc是一种有效和安全的治疗复杂的肛周瘘管。自体骨移植被认为是骨重建手术的黄金标准。然而,收获骨移植与重大施主能级发病率,需要额外的手术和麻醉时间(139年]。另一种方法是骨组织工程,通过原位骨形成通过使用生物材料的组合,可以实现生物活性分子,细胞和干细胞(140年,141年]。桑德尔等人报道了ASC组织工程构建的情况下,用于治疗前下颌缺陷。在这份报告中,扩大对asc被播种β磷酸三钙(βtcp)颗粒状支架组成的重组人骨形态形成protein-2;结构被植入一个u型的钛网,横跨parasymphyseal缺陷。重建后十个月,牙科植入物被集成到嫁接网站成功的牙科implant-supported overdenture。病人随访三年组织工程结构被放置;他满意的审美过程和结果仍然是满意他的牙科植入物的功能。

虽然对asc脚手架材料的应用以及再生医学技术是一个快速发展的领域,他们是高度实验迄今为止。因此,仍然是一个重要的需要开发有效的载体材料的桥梁和铅对临床应用组织工程。

6。结论和未来的角度

在过去的几年里,证据表明,ECM不仅为细胞提供结构支撑,而且深刻地影响经济增长的主要细胞程序,分化和细胞凋亡142年,143年]。理想的支架结构必须完成角色的种子细胞的细胞外基质,这将被用来形成一个组织工程构建,促进受损组织的修复和再生144年,145年]。因此,载体材料的设计,可以调节细胞增殖和分化等行为的主要目的是制备组织工程支架。此外,我们应该开始了解,生物材料和支架用于组织工程策略是动态的,移动,和多功能细胞行为的监管机构,而不仅仅是单纯的运营商为细胞因子干细胞或仓库。的确,随着组织工程学领域仍处于起步阶段,可能的生物力学和生物力学效应由不同类型的支架上播种对asc应该进一步阐明这载体支架可以创建具有特殊属性。创建这样的支架将帮助我们优化细胞活动包括形态学变化、增殖和分化。

一般而言,载体材料的成功生成和维护工程组织结构应该有几个必要的属性包括生物相容性、降解性、低毒性和免疫原性。然而,大多数载体支架只拥有一些可取的属性。如果支架可以成功地体现这些属性,它将为组织再生提供了一个理想的平台。

对asc总之,有一个著名的和强大的角色在组织工程和再生医学由于细胞产量高脂肪组织,能够分化成多种血统和分泌多种细胞因子,及其免疫调节作用。ASCs-based组织工程领域的治疗仍然是年轻的。正在进行的和未来的发展载体支架一起合理促进干细胞研究和临床研究无疑会逐渐降低ASC-based组织工程技术从象牙塔并使其临床可在更大的范围内,从而惠及更多的病人。

利益冲突

作者证实没有已知的与本文相关的利益冲突。

确认

作者感激地感谢冯路在进行本研究的支持和贡献。这项工作得到了国家自然科学基金(81471881,81471881,81471881,81201482),关键临床专业学科建设项目和卫生合作创新重大项目广州(7414275040815)。

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