朱宸佑 曹鈺彬 鄧佳 亓文婷 曹聰 石冰
口腔疾病研究國家重點實驗室 華西口腔醫院唇腭裂外科（四川大學）成都 610041
[摘要] 膠原具有弱抗原性，良好的生物兼容性、生物降解能力以及生物力學性能，被廣泛用于皮膚、肌腱、血管、骨和神經等部位的組織工程，而生長因子是生物體內一類微量高效調節細胞代謝和組織修復的小分子物質。膠原-生長因子生物材料（CGFB）在骨組織再生、神經組織修復、肌腱重建和慢性傷口修復中表現出優良的生物和生物力學性能。在骨組織修復中，CGFB合理地釋放生長因子，有效地誘導了干細胞成骨向分化和促進受損骨組織修復。在神經組織修復中，根據修復對象采用的特異性的CGFB膠原設計，有效地促進了神經突的生成。在中樞神經系統修復中，膠原凝膠的注入為細胞生長提供了良好的微環境，有利于中樞神經系統的修復。本文回溯CGFB的基本性質及其近年來在骨和神經修復領域中的研究進展，以預測其未來可繼續改進的方向。
[關鍵詞] 膠原；生長因子；組織工程；骨再生；神經再生
口腔頜面部組織結構復雜，血管神經密集，無論外傷還是腫瘤切除等手術均易傷及軟硬組織和血管神經，因而骨和神經修復重建是口腔頜面外科最為重要的內容，積極尋求新的技術手段和組織工程方法尤為重要和迫切[1-2]。本文就膠原-生長因子生物材料（collagen-growth factor biomaterial，CGFB）的研究進展及其在骨和神經組織再生中的應用作一綜述，以便于口腔頜面外科同行了解與探索。
1 、膠原結合細胞因子生物材料
膠原是一種細胞外基質（extracellular matrix，ECM）結構蛋白，既是ECM的主要成分，也是人工模擬細胞環境時最常用的成分[3]。膠原分布于骨、軟骨、皮膚和肌腱等組織，具有弱抗原性，良好的生物兼容性、生物降解能力以及生物力學性能[4]，因而被廣泛用于皮膚、肌腱、血管、骨和神經等部位的組織工程。由于膠原在不同的組織表現出質量和類型有所差異，因此膠原在研究和實際應用中都會因作用部分的不同而有所差別。
雖然膠原能為細胞生長提供適宜的環境，但僅僅如此卻不能滿足組織在短期內快速再生的需求。生長因子對細胞新陳代謝和細胞內外信號轉導通路及其級聯反應起著重要的調控作用[5]。細胞因子通常由旁分泌或自分泌產生，且僅在局部起作用[6]；因此，體內不同組織、不同時期產生的細胞因子種類和質量差別較大，這為針對特定修復部位提供特定生長因子提供了依據和指導。在CGFB中，少量分散于膠原中的生長因子才是該生物材料功能的核心所在，故如何高效地釋放生長因子逐漸成為關注重點。
在眾多的細胞因子中，生長因子在組織再生和創傷修復領域發揮著重要的作用，譬如血管內皮生長因子、表皮生長因子（epidermal growth factor，EGF）、堿性成纖維細胞生長因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）、轉化生長因子（transforming growth factor，TGF）、血小板衍生生長因子（platelet-derived growth factor，PDGF）、神經生長因子（nerve growth factor，NGF）、骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）等[7-15]。體內細胞因子的釋放相當復雜，某一局部涉及的細胞因子或生長因子豐富多樣，且按照特定時空順序進行釋放；因此，針對某一局部，通常只選取相對作用最重要、質量最豐富、最具有代表性和實際意義的生長因子進行研究。隨著細胞環境模擬度的提高，多種細胞生長因子按照一定的比例協同促進組織生長[16-17]。
近年來，CGFB在組織工程中發揮著越來越重要的作用，譬如，血管再生對大多數組織都至關重要，ECM膠原整合的bFGF和EGF對血管生成有改善或提升效果[18]，故這兩種生長因子對于大多數組織的再生都有積極的促進作用。此外，由成纖維細胞主導的ECM的合成和分泌在組織工程修復過程也是必要的，而PDGF有利于成纖維細胞的擴張和遷移[19]。由此觀之，與CGFB有關的基礎研究可為其決策提供選擇方向和依據，但因為細胞生長因子作用的復雜性，故還需要根據具體組織判斷選擇。雖然CGFB在肌肉、皮膚和黏膜中也有相當重要的作用[17, 20-24]，但本文只介紹CGFB在骨和神經修復中的作用及其相應的改良措施。
2 、CGFB在骨組織修復中的應用
骨組織修復是組織工程研究的一個重要領域，CGFB作為一個極具前景的生物材料已經投入了市場；然而，傳統的CGFB的成骨效果受到膠原和細胞因子自身的限制，并不令人滿意，細胞生長因子在膠原中如何更加高效地釋放也在很大程度上限制了CGFB的應用。近年來為了進一步提升CGFB在骨組織修復中的效果，不同的試驗室分別從膠原性質、生長因子性質以及兩者的結合等方面對材料作了改進。CGFB能在骨組織修復中表現出值得期待的促組織修復效果，在于合理地使用和釋放了細胞因子。BMP是一類僅在骨和軟骨再生中使用的生長因子，可有效地誘導干細胞成骨向分化和促進受損骨組織修復。研究[25]顯示，將BMP分散在膠原中使其隨膠原的生物降解釋出，由于膠原與BMP之間的結合疏松，因此材料在移植到體內的初期會產生近30%的爆發性釋放，這既導致藥物的浪費，還可能因藥物過量對患者造成傷害。此外臨床上尚在使用的基本CGFB模型的釋放效果并不令人滿意，于是不斷有研究者[26]試圖從細胞生長因子運載方式上改良原有模型。譬如，Lee等[27]將搭載低劑量的BMP-2納米纖維置于膠原內部，很好地模擬了ECM的天然結構，達到了緩釋和擴大BMP-2骨再生效應的目的。根據該研究結果推斷，由納米顆粒和納米纖維等組成單一或多級的緩釋模型均可應用于骨組織修復；另外，構建復雜的三維仿生模型，也可能有利骨組織修復。
相對于細胞生長因子而言，CGFB的生物力學性能對于骨修復效果的影響不明顯，相關研究較少。基質是否適合骨細胞的增殖、生長、遷移和分化也是值得考慮的，而材料自身硬度是一個重要因素[28]。Banks等[29]在通過交聯的方法在不改變膠原孔徑前提下獨立控制硫酸軟骨素膠原材料硬度，觀察脂肪間質干細胞的成骨分化情況時發現，較硬的基質會無視生長因子的存在而誘導成骨基因表達，而較軟的基質則需要生長因子才能誘導成骨基因表達。這一研究結果對于成骨研究領域選擇CGFB硬度有著重要的指導意義，根據對誘導成骨的要求，可以選擇不同硬度的材料和決定是否選用生長因子。
Yamano等[30]在體內外試驗中分別從膠原膜中緩釋PDGF和生長分化因子（growth differation factor，GDF）-5發現，GDF-5更能提高成骨細胞的增殖活性和成骨基因表達，從而加速骨再生。在不斷尋找和選擇天然存在的更適于治療的細胞因子的同時，人工合成的新細胞因子也正在研究中。Kleinschmidt等[31]將BMP-2殘基引入GDF-5中產生了基因突變的蛋白BB-1。BMP-2對于需要血管再生的長骨重建效果并不好，BB-1則結合了BMP-2和GDF-5的優點[32]，同時促進了骨再生和血管再生。沿此思路，可以不斷地通過化學合成的方法制造和確認更優的成骨細胞因子，以提高骨組織修復效果。
骨組織重建作為CGFB在組織工程應用的典型方向，存在著組織工程普遍存在的一些問題：釋放系統不足，大小骨組織損傷修復要求有所區別等。近期的研究主要集中在細胞因子釋放問題上，而對于生物力學性能和細胞因子的選擇研究較少。學術界一方面在生物力學性能和細胞因子的問題上已經達成了一致的共識，一方面未來可能緣于釋放模型的需要會結合生物力學性能精確控制，也可能因傳統細胞因子平庸而啟動新細胞因子合成研究。CGFB在骨修復和骨重建研究富有臨床意義，也為今后研究提供了思路和依據。
3 、CGFB在神經組織修復中的應用
神經修復是組織工程的另一重要領域，但由于神經細胞高分化，故神經修復要較骨重建困難一些。此外，中樞神經系統和周圍神經系統在結構功能上有著巨大差別，由于這些差異性和復雜性，所以CGFB在神經修復中的研究側重點完全不同于前文提到的骨組織修復。CGFB在神經修復中根據修復對象采用了不同膠原設計。
在神經修復中，神經細胞能否有效增殖和遷移相當重要。過去，細胞通常培養于二維環境中，不能很好地模擬細胞增殖和遷移的環境，于是細胞環境的設計開始受到重視，開始出現三維環境的設計[15,33]。Labour等[34]設計了一種由高純度ECM構成，較普通培養基厚，膠原密度和多孔性以及纖維大小適合神經細胞生長的三維培養基，并加入適量NGF和腦源性神經營養因。該精心設計的仿生三維膠原基質，可有效地促進神經突的生成，而神經突的生成對于周圍神經系統修復非常重要。正如前文提到的骨緩釋系統設計，神經細胞培養環境設計也模仿了天然ECM的成分和結構，可見這種仿生思路能有效應用于多種領域，而三維環境的設計在針對神經突的周圍神經系統修復中也很有發展前景。
在中樞神經系統修復中，凝膠態膠原也能為神經細胞的生長提供良好的環境。過去直接將細胞移植到特定部分，細胞因缺少適宜穩定的微環境，其生長和增殖受到抑制，治療效果常常難盡如人意，而膠原凝膠的注入能為細胞提供了良好的微環境。Egawa等[35]將神經干細胞置于結合了EGF的膠原凝膠中，干細胞明顯增殖且成功分化為多種神經細胞亞群。Macaya等[36]發現，結合有成纖維細胞生長因子-2膠原水凝膠的星形膠質細胞能有效滲入凝膠并遷移到移植體部位。由此可見，膠原凝膠適宜的環境，神經細胞能有效地增殖、分化和遷移，從而有利于神經修復進行，有望應用于中樞神經系統的臨床修復。
神經修復還可能需要特殊基質形態來滿足修復的要求，這可能是神經修復與其他組織最大的區別。在周圍神經系統修復中，鑒于神經軸突的特殊形態，通常會采用與其形態相符合的神經導管。神經導管的基本作用是為損傷神經末端創造一個能再生、通過和連接的穩定環境。神經缺損的距離越長，修復難度越大，為了延長修復距離，有研究[37]將細胞因子刺激與導管膠原支架結合起來，希望能促進神經斷端重新接合。Cui等[38]將結合了睫狀神經營養因子和bFGF的膠原支架連接到微型豬缺損長度達35 mm的神經間隙近端和遠端之間，成功誘導了長距離神經再生。該研究證明了短距離修復可應用于長距離修復[39]。
CGFB在神經組織修復的研究范圍遠遠不如骨組織修復多樣，或者說還處于一個相對初級的階段，這可能緣于修復本身的復雜性和神經組織的多樣性。到目前為止，只側重于有利的修復環境的設計，至于生長因子的選擇，基本上是一些常用的細胞因子和一些神經營養因子，顯得針對性不強；但是，神經組織的修復不僅需關注神經修復環境的問題，神經系統不同部分、不同細胞的差異性也是需關注的重點，因此，修復的研究也逐漸走向具體和精細化的方向。人們有理由相信，CGFB在神經組織重建方面還會有更多精細化的環境設計，同時也期待更多突破現有瓶頸的研究成果出現。
4 參考文獻（略）
本文發表于《國際口腔醫學雜志》2016年43卷第6期：729-733.
來源：國際口腔醫學雜志
