肌腱移植材料与组织工程化肌腱移植技术

　　作者：陈继革，刘开俊，白祥军 　(华中科技大学同济医学院附属同济医院创伤外科，湖北武汉 430030)

　　摘要: 本文综述肌腱移植材料的研究进展，并对组织工程化肌腱移植技术取得的成果进行总结，如种子细胞、细胞外基质材料的应用研究等。指出有利于细胞生长与粘附的生物材料的研制必将推动组织工程化肌腱的研究。

　　关键词: 肌腱损伤;移植技术;组织工程

　　Materials for tendon transplant and technique of tissue engineered tendon transplant

　　CHEN Ji-ge，LIUKai-jun，BAI Xiang-jun

　　(Department of Traumatology，Affiliated Tongji Hospital，Tongji Medical College of Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430030，China)

　　Abstract: To review the main progress in materials for tendon transplant and achievements in the field of tissue en-gineered tendon，including application of seed cells，extracellular matrix(ECM)，et al.It is considered that biomaterials fa-vorable for cell growth and attachment will develop the research in tissue engineered tendon.

　　Key words:tendon injury;transplant technique;tissue engineer

　　肌腱缺损在手外科中是一个常见的棘手难题，目前临床尚无理想的治疗方法。用于肌腱移植的材料主要有以下几类:自体肌腱、同种异体肌腱、人工肌腱和组织工程化肌腱。随着对肌腱移植材料的临床应用和实验研究日益增多，近年来在异体肌腱移植方面取得了较成熟的经验。20世纪80年代后期，组织工程技术的建立和发展，为肌腱组织缺损的修复又提供了一条新的思路和途径。本文将主要就肌腱移植的研究现状及其在组织工程化肌腱移植技术研究中取得的进展作一综述。

　　1 自体肌腱

　　除了常规的游离肌腱移植外，采用带血供的自体肌腱转位修复已在临床上得以应用，它具有不需重建血供、移植腱不易变形、黏连轻、愈合快、塑形好和抗拉力强等优点，常用于在肌腱床瘢痕组织的部位进行移植[1] 。应用显微外科技术，用带血管的掌长肌腱移植修复指深屈肌腱的缺损，使掌长肌腱这种以血供为主的滑膜外肌腱在移植后仍能获得足够的血供，从而减轻了肌腱愈合过程中的黏连，同时这种方法可不用先作肌腱床瘢痕组织的修复而直接进行肌腱的修复，手术1次完成，疗程缩短，利于手指活动功能的恢复，减轻了患者的痛苦，值得在临床上进一步探讨和应用[2] 。总体来说，自体肌腱移植疗效虽好，但可供肌腱来源有限，如切取过多会引起供区功能障碍，且延长了手术时间，所以限制了其临床应用。

　　2 同种异体肌腱

　　2.1 同种异体肌腱移植的免疫原性问题及其处理[3] 根据同种异体肌腱排斥反应发生机制的研究表明，组织相容性复合物(MHC)不是异体组织移植成功的首要障碍。MHC抗原需抗原呈递细胞(APC)的辅佐，才能启动宿主对抗移植物反应。宿主T细胞活化主要通过直接识别和间接识别两条途径，而移植物APC直接识别途径是触发排斥反应的首要因素。因此，对异体肌腱处理的最主要目的是减少免疫源性和保持肌腱活性。目前，主要有3类处理方法，即冷冻、冻干和药物浸泡。经冷冻处理能降低移植物的免疫性，其机制可能是在降、复温过程中由于冰晶的形成破坏了细胞成分，使腱细胞表面的组织相容性抗原遭到破坏、变性从而降低了腱细胞的抗原性;经冻干处理也可以改变肌腱的细胞结构，经过冷冻和解冻过程能抑制或破坏腱细胞的抗原作用，但仍保留了肌腱组织的基本结构及部分酶活性;用于浸泡肌腱的药物主要有戊二醛丝裂霉素、三氯甲烷/甲醇混合液、脱氧鸟苷培养液、95%乙醇等，能选择性去除供体源性APC，从而降低供体的免疫原性。

　　2.2 同种异体肌腱移植后的修复机制 目前认为，异体肌腱移植后的修复机制是经冷冻等处理后，破坏其细胞成分，在肌腱内形成“空穴”，大量受体成纤维细胞或间充质细胞，毛细血管等向移植肌腱两端表面及腱束间侵入性生长，细胞逐渐成熟，数量减少并转化为腱细胞，逐渐形成波浪型胶原纤维束。肌腱移植后，其愈合结局有2种不同观点:(1)认为通过周围组织与肌腱形成粘连达到愈合，即外源性愈合;(2)认为通过自身细胞增生，形成正常肌腱胶原纤维，即内源性愈合。目前，一般认为，在大部分临床情况下，2种方式都可能参加肌腱愈合过程，至于哪种方式占优势，取决于肌腱所处的环境、缝合方式、术后是否进行早期控制性活动等因素。早期控制性活动可以促进新生血管纵形排列，有利于滑液扩散、胶原纤维的塑形，从而减少粘连，促进肌腱滑动功能的恢复。

　　2.3 同种异体肌腱的保存 目前，国内外常用的异体肌腱为冷冻和冻干肌腱，并通过严格的无菌操作，供体筛选(包括微生物学、血清学检测及病理组织检查)建立了提供商品化肌腱的组织库，但这并不能完全排除疾病传播(尤其是HIV感染)的可能，需进行二次灭菌。通常的灭菌方法有高温、环氧乙烷和γ照射。高温因使胶原变性不适于肌腱灭菌，环氧乙烷处理的肌腱因其残留有毒物质而产生滑膜炎等并发症不适于临床应用，γ照射是常用灭菌方法，但采用多大剂量是一个有争议的问题。

　　60 钴剂量取决于2方面因素:(1)必须达到完全灭菌的目的，包括HIV和肝炎病毒;(2)必须保证肌腱有足够大的机械强度。国际原子能机构使用2.5Mrad做为医疗产品的标准灭菌剂量[4] ，目前，大部分异体肌腱组织库仍使用1.5～2.0Mrad作为标准剂量[5，6] 。

　　3 人工肌腱

　　人工肌腱研究历史悠久，材料多种多样，如尼龙、碳纤维、涤纶、聚酯纤维、头发等，但绝大部分因存在体内长期不能腱化、吸收、粘连、拉应力不足等缺点，只能作为暂时代用品，限制了其在临床上的应用。

　　碳纤维具有固有的不活泼性和良好的生物相容性，由碳纤维制成的肌腱异物反应小，组织可长入纤维之间，它与其它人工腱替代物的不同之处在于碳纤维能快速诱导包绕受体腱的植入物迅速腱化，促成腱样组织的形成。但是碳纤维的最终命运是逐渐降解、碎裂和吸收，其主要原因是碳纤维本身不具有生命力，需要从周围组织引导细胞长入，否则不能成为新的肌腱[7] 。若能在碳纤维植入体内之前预先种植活细胞，即在体外构建组织工程化肌腱，或许能提高碳纤维修复肌腱缺损的临床效果。

　　人发角蛋白人工肌腱(HHKAT)是继碳纤维人工肌腱之后的新一代人工肌腱组织替代物材料[8] 。它的腱体可被逐渐吸收，同时有成纤维细胞和胶原纤维替代形成新的自体肌腱，它和肌腱的缝合部位能够腱性愈合，但远期疗效有待观察。

　　4 组织工程化肌腱

　　近年来，随着细胞生物学、分子生物学及生物材料学研究的深入，将种子细胞复合到细胞外基质构建组织工程器官的研究成为了热点，组织工程化肌腱的移植也将为临床治疗带来理想的材料。

　　4.1 种子细胞的来源与生长研究 肌腱是较典型的致密结缔组织，由形态相似的梭形成纤维细胞和细胞外基质组成。肌腱成纤维细胞是肌腱组织的基本功能单位，接受机体的神经-体液调节，主要合成和分泌Ⅰ型胶原纤维，维持肌腱组织的新陈代谢[9] 。自体外培养鸡胚腱细胞成功以来，对肌腱细胞的研究逐步深入，其生物学特性也逐渐被认识。肌腱种子细胞主要来源于:(1)肌腱组织。通过分离纯化肌腱组织而获得的肌腱细胞，置体外培养条件下增殖相对缓慢，经多次传代后，细胞逐渐丧失增殖能力，因此寻找调控肌腱细胞生长的方法将是肌腱组织工程学研究的一个热点[10] 。(2)通过干细胞工程分化获得。目前干细胞工程主要由胚胎干细胞和骨髓基质干细胞组成。胚胎干细胞具有多种分化倾向，能大量增殖并保持未分化状态，易于进行基因的改造操作。1998年美国成功地建立了人胚胎干细胞系，并在体外将胚胎干细胞诱导分化为造血干细胞、神经干细胞等。骨髓基质干细胞是成骨细胞、肌腱和肌肉细胞等多种间充质细胞的前体，动物实验已表明间充质干细胞能够修复缺损的肌腱[11，12] 。

　　4.2 组织工程细胞外基质(ECM)材料的研究 作为组织工程细胞支架的生物材料，理想的ECM材料一般应具有以下特点:可降解性、良好的组织相容性、较高的表面积/体积比、一定的力学性能，良好的血管、神经可长入性[13] 。肌腱组织工程应用的生物材料主要分为2类:(1)合成的高分子生物材料，目前被广泛采用的主要为聚乳酸(PLA)和聚羟基乙酸(PGA)[14] ;(2)天然高分子及天然无机物，合成的高分子生物材料PLA和PGA具有良好的生物相容性、可降解性和可吸收性，在体内主要通过水解裂解酯链产生天然的中间代谢产物排出体外，同时将空间让位于细胞，使所形成的组织器官具有与细胞支架相似的几何形状。由于不同的组织工程对象对细胞支架有不同的降解速度、亲和性等要求，可根据PGA的高降解速度及PLA的高强度等以不同的组成比合成具有不同降解速度或力学性能的复合物[15] 。天然高分子及天然无机物一般都无毒、亲水、生物相容性及细胞亲和性好，但缺点是质量受产地、原料来源等影响因而重复性差，此外有些天然高分子强度和加工性能都较差。

　　4.3 肌腱细胞与生物材料复合的研究 组织工程化肌腱的研究目的是将体外预制的肌腱回植入体内的肌腱缺损处以恢复关节的功能。由于裸鼠对外来移植物无排斥反应，以往肌腱的组织工程多以裸鼠为实验模型。曹谊林等[16] 将从小牛肩、膝部获得的肌腱细胞种植于PGA网支架上，体外培养1周后再植入裸鼠的皮下，发现6周的标本中出现随支架走向呈线状排列的肌腱组织。然而PGA、PLA等细胞支架材料的亲和性较弱。细胞亲和性是指材料能让细胞在其表面粘附及生长的能力，这是由于细胞与材料之间存在着以蛋白质为介导的黏附机制、黏附特性的差异，故影响细胞的增殖、分化等功能。刘彦春等[17] 选择卵磷脂和多聚赖氨酸共同包埋PGA+PLA，以提高支架的亲水性和细胞亲和性，同时支架材料的多孔性增加了细胞黏附的表面，便于营养物质的渗入，也有利于可中和支架材料降解产生的酸性产物的组织液的流入。除此以外，为了保证肌腱细胞能按单一方向增殖生长，细胞支架的孔隙需呈一定方向性的排列。目前，研究者正致力于研究同时结合两类生物材料优点的细胞支架，与肌腱细胞联合体外培养，使之可以成为一种永久性的有生命活性的组织工程肌腱[18] 。

　　组织工程化肌腱移植技术使人类替换病损肌腱不再成为遥远的梦想，因其具有的潜在的开发价值和广阔的临床应用前景，已逐渐成为研究的热门课题。然而组织工程学研究是一项系统工程，要真正实现体外预制有生命的种植体完全替代人体组织、器官功能，尚面临着许多挑战，如细胞老化、免疫排斥反应、支架材料降解与细胞功能同步化、组织工程产品的标准化等问题均有待解决。

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