2016年11月11日 星期五 09:15:33
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前沿|搭载人类自体干细胞的纤维支架及其在软组织再生中的应用

发表时间:2018/5/16

再生医疗领域,如大面积软组织缺损治疗,对人体脂肪组织有着巨大的需求。目前,再生医学常用的对策是皮瓣移植或受体同源的脂肪移植。但在如褥疮溃疡和大面积伤疤等的治疗中,使用皮瓣移植方法同时也会对患者创面周围的健康组织和患者的身体造成巨大的负担:根据创伤的面积,需要长时间使用组织扩张器来拉伸健康皮肤和脂肪组织,且在正式移植前也可能需要数次对伤口和待移植皮瓣组织进行处理的外科手术,过程中病人有很大遭受创伤感染、罹患低温症以及心血管并发症的风险。



同时,脂肪组织手术的局限性还主要表现在无法在移植区域及时形成足够的新血管,手术的效果始终不可预测。由于血管具有能量储存功能并参与人体大量的代谢活动的作用,因此,移植后的组织是否能很快地形成新血管,是脂肪移植手术可以取得成功的关键。


由海恩斯坦研究院Timo Hammer博士研究团队结合现代生命科学以及纺织技术开发的搭载人类自体干细胞的纤维支架技术,为再生医学领域提供了一种新的软组织再生治疗的可能性。


基于自体细胞源与纤维支架的脂肪组织再生技术

根据最新的研究,科学家们认为从患者自体脂肪组织提取的干细胞(hASC,也称始祖细胞)具有促进植入材料与受体的融合以及支架细胞血管再生,以及在体外分化成不同的细胞系(如软骨细胞系、成骨细胞系、成脂细胞系等)的能力。目前,已有相当数量的研究把hASC黏附在生物支架材料上用于软骨或骨组织再生。



搭载自体干细胞的纤维支架技术要点

基于上述原因,Timo Hammer博士研究团队考虑研究一种新型的软组织再生技术。一方面,这种技术使用具有受体兼容性并且能够促进新血管再生的支架材料;另一方面,考虑到更高受体兼容性,从患者脂肪组织提取的hASC进行移植。


这种技术可以从不同方面解决以上提及的软组织再生医疗领域几个问题:(1)hASC可以生成包括血管内皮生长因子(VEGF)在内的多种生长因子,从而促进新的血管形成;(2)在移植区域新血管的生成又可以促进移植集成和组织的再生;(3)hASC可以容易地被从成熟的脂肪组织中分离并且在脂肪细胞群中实现分化。因此,在支架材料中植入祖始细胞的成脂分化可以最终促成脂肪组织的形成。


搭载自体干细胞的纤维支架技术优势

在本研究中,Timo Hammer博士研究团队评估了hASC的人工培养及其在已经市场化的平面纤维支架和三维非织造布支架上的生长性能,建立了可调制的藻酸盐酸性成脂滴(可以在具体应用场景中做到一定的灵活性),并评估了藻酸盐成脂滴内hASC的活性以及其触发hASC成脂分化的性能。结果证实了这种纤维支架搭载干细胞技术的优势。


缩短hASC转化为脂肪组织的时间

通常,hASC在不同细胞培养介质中分化需要的时间为 3 周,纤维支架搭载干细胞技术可以使hASC在平面支架或3D支架材料内转化为脂肪组织的时间缩短为19天。


图为细胞在一种有胶原蛋白涂层的PP材质网状结构中的成脂分化情况。其中,(a)为hASC附着在结构表面24 h后的情况,显示出高的细胞密度和良好扩散态势(荧光显微法,红色的部分为肌动蛋白细胞骨架,蓝色的部分为细胞核);(b)为第10天hASC成脂分化状态(高亮度显微法,红色油滴状为脂肪细胞);(c)为第19天hASC成脂分化的状态(高亮度显微法,红色油滴装表示脂肪细胞)。


图为黏附在3D非织造材料中的hASC成脂分化状态(高亮度显微法,红色油滴状表示脂肪细胞)。其中,(a)为第19天hASC成脂分化的状态;(b)为(a)的详解图片,可以看到在支架的三维空间内均匀分布的hASC;(c)则显示了脂肪细胞直接在纤维上的生长。


以上研究表明,从人体脂肪中提取的hASC在体外血管生成模拟试验中显示出显著的血管再生能力,当人体干细胞被种植在支架材料上后,可以看到血管再生能力有所增强。此结果也在随后的鸡胚绒毛尿囊膜实验中得到证实。


人体干细胞被移植到纤维支架表面后使新血管形成显著提高


促进干细胞成脂分化和新血管形成

为了能够充分发挥祖始细胞在受体上生成新血管的能力,研究团队选择使用受体本身的脂肪干细胞,以及具有受体生物相容性并且能促进新血管再生的支架材料——内含营养以及成脂分化因子、对干细胞无毒副作用的“藻酸盐成脂滴”,使附着在材料上或者在由此材料做成的支架内的干细胞实现初始成脂分化,并形成脂肪细胞群。从治疗的角度来讲,这种方法会确保干细胞生成足够的血管内皮生长因子,在移植完成时即启动血管再造功能,从而促进软组织的体内生长。


图为藻酸盐成脂滴促进hASC成脂分化情况,其中,(a)为藻酸盐成脂滴培养19天后的状态;从(b)可以看出,包在荚膜内的hASC在生长过程中呈球形;从(c)和(d)可以看出,细胞质中具有多个脂肪滴的单个球形细胞。


结论

该研究的结论可以支持脂肪组织再生领域利用藻酸盐成脂滴以及纤维支架促进人体干细胞成脂分化的可行性,这一方法可以简化大面积软组织损伤的治疗,显著地缩短从细胞分离到手术之间的治疗时间。利用病人自己的脂肪组织中的干细胞即刻移植到可以促进新血管形成的纤维支架表面或者是结构中的做法具有显著优势。具有促进血管再生能力的藻酸盐支架材料结合病人自身的干细胞是这一技术的关键,在纤维支架移植到病人伤口之后,干细胞的成脂分化会被触发,这一过程随后会被病人自身的生理机制调节。


本文摘录自《bet36体育投注》2018年第5期,由德国海恩斯坦研究院的Marina Handel博士、Timo Hammer博士和Dirk Hoefer博士/教授共同撰写的“搭载人类自体干细胞的纤维支架及其在软组织再生中的应用”一文。作者声明文章中提到的产品以及相关技术产权无任何商业转让意图。


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