再生醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)是研究和發(fā)展替代、修補(bǔ)、重建或再生人體不同組織及器官的假設(shè)和方法。由于半月板中央部分纖細(xì)，而且整個(gè)半月板沒有連接，因此傳統(tǒng)療法在恢復(fù)半月板結(jié)構(gòu)和功能方面較為困難。醫(yī)用水凝膠有望為半月板修復(fù)和再生提供一種新的策略。水凝膠具有較強(qiáng)的生物相容性和可調(diào)控性，可安全植入體內(nèi)，有效改變半月板損傷部位細(xì)胞微環(huán)境和生理變化。近日，來(lái)自北京大學(xué)的余家闊教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了先進(jìn)水凝膠材料用于半月板修復(fù)的相關(guān)綜述。成果以“Meniscal fibrocartilage regeneration inspired by meniscal maturational and regenerative process”為題于01月03日發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。
本文回顧了不同植入型醫(yī)用水凝膠在半月板再生和修復(fù)中的應(yīng)用。首先，簡(jiǎn)要介紹了半月板的結(jié)構(gòu)和生理功能。隨后，重點(diǎn)介紹了不同水凝膠在半月板修復(fù)中的應(yīng)用，并討論了構(gòu)建水凝膠植入體時(shí)使用的不同材料。最后，分析了水凝膠用于半月板修復(fù)的相關(guān)問(wèn)題和挑戰(zhàn)。
1. 半月板的生理基礎(chǔ)
作為膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)的天然結(jié)構(gòu)，半月板曾被認(rèn)為是“腿部肌肉起源的無(wú)功能殘余結(jié)構(gòu)”。經(jīng)過(guò)幾十年的深入研究，半月板在膝關(guān)節(jié)功能中的重要作用逐漸得到證實(shí)。除眾所周知的屈伸功能外，由于兩個(gè)膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面以及脛骨內(nèi)側(cè)和外側(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的不同，膝關(guān)節(jié)還會(huì)發(fā)生一定程度的旋轉(zhuǎn)。脛骨內(nèi)側(cè)平臺(tái)呈現(xiàn)輕微的隆起和凹陷；脛骨外側(cè)平臺(tái)則呈現(xiàn)輕微的凹陷和球形。本文從半月板的解剖、半月板的血液供應(yīng)、半月板的細(xì)胞群、半月板的生理功能和目前治療半月板損傷的相關(guān)方法進(jìn)行了詳細(xì)的描述。
圖1 膝關(guān)節(jié)和半月板解剖及細(xì)胞分布
2. 水凝膠作為半月板修復(fù)的生物材料
用于骨骼或軟骨再生的生物材料大多由天然或合成有機(jī)高分子化合物組成。選擇合適的生物材料對(duì)實(shí)現(xiàn)半月板修復(fù)至關(guān)重要。出色的修復(fù)材料往往具有生物活性。主要因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)對(duì)材料特性的影響，如表面化學(xué)基團(tuán)可能會(huì)影響特定細(xì)胞遷移、粘附和分化。功能細(xì)胞增殖以及干細(xì)胞分化和遷移會(huì)在一定程度上影響半月板再生效果。在優(yōu)先考慮生物安全性的同時(shí)，選擇最具生物活性的材料至關(guān)重要。水凝膠作為一種能模擬天然半月板組織成分的生物材料，具有強(qiáng)大的化學(xué)性質(zhì)可調(diào)、良好生物相容性和可降解性等，是開發(fā)仿生半月板的新型材料。水凝膠可分為天然聚合物水凝膠和合成聚合物水凝膠。天然材料具有最佳的生物相容性，易獲得，成本效益高。合成材料具有更高穩(wěn)定性、更低降解敏感性和更強(qiáng)化學(xué)可調(diào)性。制備醫(yī)用水凝膠的常用材料包括透明質(zhì)酸、明膠、殼聚糖、絲膠和海藻酸鈉。圖2列出醫(yī)用水凝膠常用的材料及其各自優(yōu)缺點(diǎn)。
圖2 醫(yī)用水凝膠常用材料及其各自優(yōu)缺點(diǎn)
圖3 不同混合水凝膠示意圖
3. 載體水凝膠在半月板修復(fù)中的應(yīng)用
半月板再生過(guò)程是一個(gè)涉及多種細(xì)胞和組織的系統(tǒng)協(xié)調(diào)性過(guò)程。炎癥期主要表現(xiàn)為炎癥細(xì)胞清除已經(jīng)凋亡或壞死的細(xì)胞，炎癥期結(jié)束后，半月板修復(fù)進(jìn)入組織重塑階段。其中位于血液供應(yīng)充足的區(qū)域損傷修復(fù)效果更好。血管不僅參與新陳代謝和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，還傳遞信號(hào)分子，促進(jìn)內(nèi)源性干細(xì)胞向受損部位遷移、增殖和分化。此外，細(xì)胞外基質(zhì)的降解和重新形成過(guò)程是相互協(xié)調(diào)的，促進(jìn)受損組織原位修復(fù)?？傊?，載體水凝膠具有生物相容性、可降解性、與細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)相似、易于改性和吸附物質(zhì)等特點(diǎn)，是很有前途的半月板再生修復(fù)生物材料。
目前半月板再生主要有兩種策略：（1）使用藥物或細(xì)胞因子促進(jìn)損傷半月板組織再生。（2）通過(guò)重新植入半月板組織、細(xì)胞或相關(guān)生物材料來(lái)替代和填充受損區(qū)域。水凝膠載體可將藥物或細(xì)胞因子（包括抗炎藥物和促進(jìn)生長(zhǎng)因子）運(yùn)送到局部受損部位，有效抑制半月板細(xì)胞凋亡，提高半月板細(xì)胞活力，誘導(dǎo)干細(xì)胞分化和遷移，從而幫助半月板細(xì)胞再生。水凝膠材料是負(fù)載治療性干細(xì)胞或半月板功能細(xì)胞的絕佳支架，可通過(guò)原位移植實(shí)現(xiàn)半月板修復(fù)。
圖4 原位移植實(shí)現(xiàn)半月板修復(fù)
3.1 藥物遞送水凝膠
目前半月板修復(fù)的主要治療方法為手術(shù)治療，術(shù)后需要注射玻璃酸鈉或血小板血漿(PRP)。使用非甾體類抗炎藥（NSAIDs）的非手術(shù)治療方案可減輕大多數(shù)內(nèi)側(cè)半月板后跟撕裂患者的癥狀，在短期內(nèi)改善功能。提高藥物在體內(nèi)的治療效果是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，口服和靜脈注射等給藥方式往往會(huì)導(dǎo)致血液中藥物濃度發(fā)生顯著波動(dòng)，進(jìn)而影響最終的治療效果。因此，必須找到一種方法來(lái)控制血液中的藥物水平，從而優(yōu)化治療效果。為克服這種波動(dòng)帶來(lái)的副作用，臨床醫(yī)生通常會(huì)采用多劑量給藥的方法。然而，多劑量給藥成本較高，患者依從性較差，存在一定局限性。此外，半月板位于關(guān)節(jié)腔內(nèi)，關(guān)節(jié)腔內(nèi)有關(guān)節(jié)液，可能造成藥物局部稀釋或排泄。
圖5 STS負(fù)載PCL-MECM水凝膠混合支架示意圖
3.2 細(xì)胞因子遞送水凝膠
細(xì)胞因子是低分子量蛋白質(zhì)，具有多種生物功能，主要由巨噬細(xì)胞、T細(xì)胞、B細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生和分泌。這些強(qiáng)效分子在細(xì)胞免疫、細(xì)胞招募、分化和增殖、抗原呈遞、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及炎癥調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮重要作用。在病理情況下，細(xì)胞因子過(guò)量或缺乏都可能導(dǎo)致病理過(guò)程發(fā)展。細(xì)胞因子和細(xì)胞因子拮抗劑可以糾正這種不平衡，使其成為有效的臨床治療藥物。炎癥、免疫和再招募階段受多種細(xì)胞因子調(diào)節(jié)和影響，如TGF-κ3、腫瘤壞死因子（TNF）和血小板衍生因子（PDGF）等。當(dāng)務(wù)之急是探索有效方法，促進(jìn)細(xì)胞因子與靶細(xì)胞膜表面受體結(jié)合，然后在細(xì)胞內(nèi)傳遞信號(hào)。由于細(xì)胞因子的治療窗口較窄且副作用明顯，其臨床應(yīng)用受到很大限制。因此，研究人員探索使用載體來(lái)提高細(xì)胞因子療法的耐受性和特異性，使其在靶向疾病部位的同時(shí)保護(hù)正常組織。
圖6 基于MECM的生物墨水喲用于3D打印半月板支架示意圖
3.3 細(xì)胞遞送水凝膠
干細(xì)胞療法以干細(xì)胞自我更新和分化為基礎(chǔ)，在治療骨、軟骨和血液疾病方面取得重大進(jìn)展。然而，在半月板治療中，缺損部位的半月板細(xì)胞再生能力有限，導(dǎo)致半月板再生研究集中于干細(xì)胞療法領(lǐng)域。但移植前后細(xì)胞存活能力有限，加上存在缺損部位的時(shí)間不足，阻礙組織成功再生。不受控制的多向分化特性也大大增加治療的不確定性和成本。因此，研究人員將生物材料，特別是水凝膠，與干細(xì)胞植入相結(jié)合，以應(yīng)對(duì)這些困難。包括水凝膠在內(nèi)的生物材料具有調(diào)節(jié)干細(xì)胞某些生物特性的能力，如遷移和分化，提高干細(xì)胞植入和修復(fù)的成功率。盡管不同來(lái)源的干細(xì)胞具有不同優(yōu)缺點(diǎn)和分化潛力，但尚未就最合適來(lái)源達(dá)成共識(shí)。不過(guò)，骨骼系統(tǒng)（如骨髓和肌肉）來(lái)源的干細(xì)胞顯然具有與半月板更相近的分化效果。
圖7 可注射ECM水凝膠遞送BMSCs促進(jìn)半月板修復(fù)示意圖
4. 機(jī)械增強(qiáng)型水凝膠在半月板修復(fù)中的應(yīng)用
具有各種功能的水凝膠在半月板修復(fù)中具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值?？梢载?fù)載藥物或細(xì)胞因子促進(jìn)纖維軟骨生成，并通過(guò)重新植入干細(xì)胞促進(jìn)軟骨分化，從而更好滿足生物功能需要。但是水凝膠材料柔軟且機(jī)械強(qiáng)度低，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大機(jī)械負(fù)載和承重功能。目前，提升水凝膠支架機(jī)械性能的常用方法是通過(guò)摻雜聚合物或納米粒子來(lái)制造復(fù)合水凝膠。有研究表明，提高前溶液的粘度可增強(qiáng)水凝膠支架的機(jī)械性能。新型高強(qiáng)度水凝膠包括雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠和離子交聯(lián)水凝膠等，能滿足膝關(guān)節(jié)等人體承重結(jié)構(gòu)機(jī)械負(fù)載需求，并超越普通水凝膠機(jī)械特性。擠壓式3D打印技術(shù)在生物材料領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，具有打印不同粘度生物材料的高驅(qū)動(dòng)壓力和多通道梯度打印能力，擠壓式打印已成為生產(chǎn)堅(jiān)硬3D打印水凝膠支架最廣泛的方法。
圖8 水凝膠注射后半月板再生情況評(píng)估
5. 半月板生理作用及水凝膠支架促進(jìn)半月板修復(fù)步驟總結(jié)
半月板損傷是膝關(guān)節(jié)疾病中常見的運(yùn)動(dòng)損傷性疾病，經(jīng)常發(fā)生于青少年人群。突然的加速運(yùn)動(dòng)和方向變化會(huì)導(dǎo)致急性半月板撕裂?；@球、足球和排球等球類運(yùn)動(dòng)需要反復(fù)跳躍、急停和速度變化，這些都是造成此類損傷的常見原因。因此，保持半月板結(jié)構(gòu)和功能的完整性對(duì)運(yùn)動(dòng)員和普通人都至關(guān)重要。半月板是位于股骨髁和脛骨平臺(tái)之間的纖維軟骨。半月板的功能包括充當(dāng)墊片、提供穩(wěn)定性、負(fù)重、吸收沖擊
潤(rùn)滑膝關(guān)節(jié)。由于人類是直立動(dòng)物，因此在站立、行走、跑步或跳躍等活動(dòng)中，膝關(guān)節(jié)往往承受很大的負(fù)荷。在負(fù)重期間半月板充當(dāng)墊片作用，通過(guò)避免股骨髁和脛骨平臺(tái)之間直接接觸，減輕對(duì)脛骨平臺(tái)頂部的壓力。有助于保護(hù)膝關(guān)節(jié)免受損傷。
圖9 先進(jìn)水凝膠促進(jìn)半月板修復(fù)步驟示意圖
6. 水凝膠支架應(yīng)用于半月板修復(fù)的挑戰(zhàn)與展望
半月板在下肢機(jī)械傳導(dǎo)中起至關(guān)重要的作用，半月板撕裂或損傷會(huì)嚴(yán)重影響運(yùn)動(dòng)功能并加重骨關(guān)節(jié)炎形成。最近，用于半月板修復(fù)的水凝膠材料取得重大進(jìn)展。隨著對(duì)半月板結(jié)構(gòu)和功能理解的加深，以及三維打印等制備方法和水凝膠等新型功能材料的進(jìn)步，半月板缺損的再生修復(fù)進(jìn)入組織工程新階段。目前，3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)半月板各向異性。同時(shí)，具有優(yōu)異機(jī)械特性的高強(qiáng)度超分子聚合物水凝膠可以保護(hù)軟骨不被降解，改善骨關(guān)節(jié)炎。一系列先進(jìn)材料的應(yīng)用為臨床醫(yī)生提供更多選擇。半月板修復(fù)技術(shù)正從傳統(tǒng)修復(fù)切除轉(zhuǎn)向組織工程重建。新型復(fù)合水凝膠為半月板修復(fù)帶來(lái)巨大變革，但是目前仍然存在一些局限性，需要重點(diǎn)關(guān)注。
文章來(lái)源：https://doi.org/10.1002/adfm.202312276
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