颞下颌关节髁突骨软骨组织修复重建研究进展

2019-4-8 15:04  来源:医学综述
作者:张智玲 魏志强 阅读量:4998

    颞下颌关节(temporomandibular joint,TMJ)位于口腔颌面部,是人体唯一一个双侧联动、多向活动的关节。关节负重、外伤、咬合以及精神因素等导致的TMJ骨关节病同时具有口腔和骨科疾病的特点,可造成关节骨、软骨以及关节盘的退行性改变,主要症状有:①下颌运动异常,如开口度、开口型异常,开闭口过程中出现关节绞索;②开口和咀嚼时关节区和周围肌群疼痛;③双侧关节运动时可出现弹响和杂音;④可出现头痛、耳闷、耳鸣、听力下降、吞咽困难、语言困难以及慢性全身疲劳等症状,大大降低了生活质量,还会导致颌面畸形如下颌偏斜等,严重影响美观。TMJ骨关节病的患病率为5%~12%,女性多发,对骨关节病的研究往往忽视了TMJ,导致该关节骨关节病的患病率可能被低估。

    当前修复TMJ骨软骨缺损的方法尚存在缺陷,如保守治疗只能暂时缓解疼痛,阻止病程发展,不能修复骨软骨缺损;自体骨软骨移植术可造成供区缺损,且来源有限;异体骨移植术存在免疫排斥反应;人工关节置换术费用昂贵,并发症较多。骨软骨组织工程技术的快速发展为关节骨软骨缺损的再生修复提供了新思路和新技术,但尚存在缺损区修复组织质量缺陷、与宿主界面整合欠佳等问题,产生这些的原因如下:①组织重建忽视了正常TMJ骨软骨复合组织的基本成分、形态结构、生理功能及生理微环境,未以骨软骨界面正常形态结构为依据进行仿生构建,而是将组织重建的软骨与骨组织简单地缝合或黏合在一起;②种子细胞来源已成为再生医学临床应用的难点,存在来源及数量有限,进入体内后失活、发生免疫排斥反应等问题;③支架材料与周围组织微环境的相互作用也是组织工程需要解决的问题。现就TMJ髁突骨软骨组织修复重建的研究进展进行综述。

    1.下颌髁突骨软骨正常组织结构特点

    对正常关节组织基本成分、形态结构的研究发现,成年人下颌髁突表面覆盖纤维软骨,从表层至深层可分为关节表面带、增殖带、肥大带以及钙化软骨带,关节表面带由胶原纤维平行、交叉编织构成,具有较强的抗摩擦力。观察TMJ髁突骨软骨的纳米结构发现,位于髁突骨、软骨交界部位及软骨非钙化带与钙化带交界部位的组织结构并非平滑直线,而是在交界处形成不规则的凹凸界面。

    对正常膝关节骨软骨界面三维重建模型的研究显示,关节软骨钙化层与非钙化层及软骨钙化层与软骨下骨界面均呈“沟壑锚合”的连接方式,扫描电镜观察显示,交界面表面粗糙不平,可见颗粒状突起,有深浅不同的沟壑。综上,组织工程构建TMJ骨软骨复合体应以上述正常结构及组织形态为依据,才能保证修复体的质量和远期修复效果。

    2.下颌髁突骨软骨的仿生构建

    使用包裹有细胞、生长因子以及生物活性分子修饰的具有生物活性的水凝胶材料,根据TMJ的正常组织结构进行仿生重建修复骨软骨组织是近年来研究的热点。Alhadlaq等使用聚乙二醇水凝胶构建TMJ髁突形态骨软骨复合支架,包裹骨髓间充质干细胞(mesenchymal stromal cells,MSCs)诱导分化的骨、软骨细胞可良好修复骨软骨组织。还有研究发现,低交联度的透明质酸水凝胶可诱导干细胞分化形成透明软骨,提高透明质酸水凝胶的交联度和强度,通过支架纤维表征诱导,再生组织中纤维成分较前有所增加。

    为了增加水凝胶的生物学强度,有研究将丝素微纤维混合到丝素蛋白凝胶中对关节软骨进行功能修复,丝素微纤维既增强了水凝胶的强度又仿生了软骨内胶原纤维构成。对于如何构建软骨以体现TMJ软骨表层纤维交叉编织的特征,同时又能增强生物力学强度,尚需进一步研究。骨、软骨界面的仿生构建仍是目前组织工程研究的重点。有研究使用1,4-二氧六环、胶原膜、羟基磷灰石纳米颗粒以及自组装多肽RADA作为骨、软骨界面将骨层与软骨层连接在一起。还有研究成功利用丝素蛋白构建了含钙化层的一体化组织工程骨软骨支架,其构建的骨软骨界面钙化层为一平滑表面。

    以上研究均未能从微观角度模拟特征性“沟壑锚合”组织界面结构。微球聚集可形成类似“沟壑锚合”的形态结构,虽然微球一直作为控释系统而被广泛使用,但其所构成的三维支架也越来越多的应用于骨、软骨的修复。虽然微球聚集表面存在凹凸不平的结构,但能否构建成骨软骨的“沟壑锚合”状界面尚需进一步研究。

    3.下颌髁突骨软骨重建中种子细胞的来源

    用于髁突骨软骨重建的细胞主要来源于成熟的骨、软骨细胞以及MSCs,这两种来源的细胞均存在局限性。成熟的骨、软骨细胞可用于软骨组织的重建,但其来源和数量有限,且分离成活率较低,体外培养不能保持其原有细胞特性而生长分化为纤维细胞样细胞型。在体外很难提供一个与体内关节髁突骨软骨生长发育环境相似的三维细胞外基质环境,导致体外培养的成熟的骨、软骨细胞分化为纤维细胞样细胞型。MSCs在体内外均具有向骨、软骨分化的潜能,因而在骨软骨重建方面的研究越来越多。MSCs可来源于滑膜关节组织,也可以分离自外周血或脐带。

    近年来诱导多功能干细胞得到了广泛关注,但其安全性还需进一步研究。将不同来源的干细胞的分化潜能进行比较发现,滑膜来源的MSCs比骨髓来源的MSCs更具有向软骨分化的能力,说明不同来源的MSCs具有不完全相同的细胞特性。有研究发现,与MSCs共培养能够使软骨细胞保持其细胞型,但也有研究得出相反的结论。此外,干细胞供体的年龄和细胞培养代数也影响着MSCs的分化潜能。

    建立并获得能够稳定向骨、软骨分化的MSCs用于组织重建并不像当初预期的那样简单。种子细胞问题已成为再生医学临床应用的瓶颈,引起了研究者们对无细胞组织重建的关注。越来越多的研究证明,干细胞植入后通过旁分泌机制,特别是通过分泌细胞外囊泡传递信息至周围组织细胞以促进组织再生,而并非直接分化进行组织修复与再生。

    外泌体是在细胞与细胞间信号传递中起重要作用的一种细胞外囊泡,具有完整的脂质双分子层生物膜结构,大小为40~100nm,内容物包含多种蛋白和核酸物质,其作为一种天然、高效的运输载体,将有效信息成分传递至靶细胞。有研究将外泌体直接注射至动物关节腔内用于软骨组织的修复与再生,结果发现,外泌体能够显著促进细胞的增殖、抑制细胞凋亡以及调节免疫反应,且M2型巨噬细胞的数量显著多于M1型巨噬细胞的数量,但该免疫调控的具体机制尚不清楚。此外该研究还指出,由于软骨组织修复周期长,直接注射外泌体的效率低且易流失,往往需要多次注射,这一点不符合临床实际应用要求。

    有研究使用负载外泌体的可注射水凝胶进行关节软骨修复,有效延长了外泌体对周围细胞的调节时间,起到了良好的组织修复效果。所以,干细胞外泌体有可能代替干细胞,为干细胞来源及数量有限、进入体内后失活、存在免疫排斥反应等难题提供一个解决的方法,具有良好的应用前景。

    4.骨软骨组织工程支架材料与周围组织微环境

    植入的支架材料与周围组织微环境的免疫反应参与调节新生组织同宿主组织的整合,新生修复组织良好整合是组织工程需要解决的问题。

    4.1植入支架材料后宿主微环境的免疫反应

    支架材料植入体内后会引起机体局部炎症反应,大致需经历损伤、炎症及伤口愈合反应、异物反应以及纤维囊结构形成,其中炎症反应在组织修复和重塑过程中发挥着重要作用。在炎症反应过程中巨噬细胞发挥关键作用。巨噬细胞在不同的微环境中具有不同的形态和功能,根据功能和基因表达的不同,巨噬细胞可分为促炎症型(M1型)和抗炎症型(M2型)两类。M1型巨噬细胞可表达大量促炎因子,并促进Th1反应,具有抗菌和抗癌作用。与之相反,M2型巨噬细胞具有吞噬能力,表达、分泌大量的清除因子,能够促进组织重塑,具有免疫调节功能。随着炎症反应的进展,巨噬细胞由促炎症型(M1型)向抗炎症型(M2型)转化。因此,研究巨噬细胞在骨软骨材料植入后的生理变化规律,并据此设计支架材料以促进巨噬细胞向M2型转化,对骨软骨的修复具有重要意义。

    研究发现,复合骨髓MSCs的聚乙醇酸/聚乳酸支架有效降低了支架引起的局部炎症反应,复合骨髓MSCs的抗炎作用要优于复合软骨细胞支架。该研究还发现,骨髓MSCs主要通过上调CD206,提高白细胞介素10的合成,降低白细胞介素1β的分泌,促进巨噬细胞M1型向M2型转化,从而调节免疫反应,促进软骨再生。另一项研究显示,复合软骨细胞的聚L-乳酸支架植入体内后,软骨细胞可分泌免疫调节因子,包括巨噬细胞迁移抑制因子(migration inhibitory factor,MIF),在软骨修复的前2周,MIF能够促进Ⅱ型胶原表达以及软骨细胞成熟;8周后,MIF能够诱导促炎环境,促进巨噬细胞向M1型转化,最终破坏再生的软骨。综上,采用植入细胞支架复合体进行组织再生需深入研究、探讨其与机体周围组织的免疫反应及相互作用。

    4.2修复重建组织与宿主组织的整合

    新生修复组织与宿主组织的整合对于关节功能的恢复非常关键。软骨组织与周围组织整合失败说明新组织或植入的支架与周围组织细胞外基质中的胶原纤维等缺乏化学、结构以及机械强度的连续性。细胞或组织工程材料与宿主组织是否能够较好的整合取决于其机械强度与周围组织是否匹配,是否与细胞外基质中的细胞具有良好黏附作用或是否与周围环境发生生物反应。组织工程重建复合体或生物材料宿主组织的整合取决于很多因素,如首先需要复制出与细胞外基质相似的基质化学环境,其次需要有相同机械性能的生物材料。

    有研究利用透明质酸海绵状支架与多孔陶瓷支架复合体分别构建符合软骨和骨机械性能的复合支架材料,植入动物体内后观察到骨软骨组织的连续性重建,骨与软骨界面整合良好。另外一项研究显示,聚乙醇酸膜与含有羟基磷灰石和磷酸三钙的Ⅰ型胶原海绵复合软骨细胞植入动物膝关节,结果发现,90%的复合物能够与自体骨形成连续的潮线及软骨下骨再生,但再生的软骨不能与周围自体软骨形成良好的整合。

    为了更好地组织整合,有研究使用生物粘接剂构建组织工程组织与宿主组织之间的桥梁。较早使用壳聚糖凝胶用于骨与软骨组织的整合,但该凝胶1周左右即被降解,存留时间过短,不适用于软骨组织的再生与修复。将功能化的硫酸软骨素作为整合组织工程软骨与宿主组织的生物粘接剂,体外研究发现,界面所形成的Ⅱ型胶原可抵抗弹力与剪切力而不发生复合组织折断,在体内也观察到界面软骨组织的再生。当然,有效的生物粘接剂仍需要长期观察界面所形成的连接,以应用于临床。

    5.小结

    髁突骨软骨的组织工程学研究虽已取得较多成果,但仍然存在很多难题亟待解决。组织工程化骨软骨需回归本源,不能忽视正常TMJ骨软骨复合组织的基本成分、形态结构、生理功能及生理微环境,以宿主天然骨软骨界面正常形态结构为依据进行仿生构建,不断寻找能够替代来源及数量有限的种子细胞,解决外源性种子细胞及支架材料植入体内后的免疫排斥反应,并利用免疫反应进行更好的组织修复,不断开发新的技术将组织工程新生组织最终与宿主组织整合,最终达到组织工程化骨软骨,不但可实现缺损修复的目的,还可进一步恢复关节功能。

编辑: 陆美凤

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