胶原-生长因子生物材料及其在骨和神经再生中的应用

朱宸佑　曹钰彬　邓佳　亓文婷　曹　聪　石　冰

口腔疾病研究国家重点实验室 华西口腔医院唇腭裂外科（四川大学） 成都 610041

胶原-生长因子生物材料及其在骨和神经再生中的应用

朱宸佑曹钰彬邓佳亓文婷曹聪石冰

口腔疾病研究国家重点实验室 华西口腔医院唇腭裂外科（四川大学） 成都 610041

胶原具有弱抗原性，良好的生物兼容性、生物降解能力以及生物力学性能，被广泛用于皮肤、肌腱、血管、骨和神经等部位的组织工程，而生长因子是生物体内一类微量高效调节细胞代谢和组织修复的小分子物质。胶原-生长因子生物材料（CGFB）在骨组织再生、神经组织修复、肌腱重建和慢性伤口修复中表现出优良的生物和生物力学性能。在骨组织修复中，CGFB合理地释放生长因子，有效地诱导了干细胞成骨向分化和促进受损骨组织修复。在神经组织修复中，根据修复对象采用的特异性的CGFB胶原设计，有效地促进了神经突的生成。在中枢神经系统修复中，胶原凝胶的注入为细胞生长提供了良好的微环境，有利于中枢神经系统的修复。本文回溯CGFB的基本性质及其近年来在骨和神经修复领域中的研究进展，以预测其未来可继续改进的方向。

胶原； 生长因子； 组织工程； 骨再生； 神经再生

口腔颌面部组织结构复杂，血管神经密集，无论外伤还是肿瘤切除等手术均易伤及软硬组织和血管神经，因而骨和神经修复重建是口腔颌面外科最为重要的内容，积极寻求新的技术手段和组织工程方法尤为重要和迫切[1-2]。本文就胶原-生长因子生物材料（collagen-growth factor biomaterial，CGFB）的研究进展及其在骨和神经组织再生中的应用作一综述，以便于口腔颌面外科同行了解与探索。

1　胶原结合细胞因子生物材料

胶原是一种细胞外基质（extracellular matrix，ECM）结构蛋白，既是ECM的主要成分，也是人工模拟细胞环境时最常用的成分[3]。胶原分布于骨、软骨、皮肤和肌腱等组织，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学性能[4]，因而被广泛用于皮肤、肌腱、血管、骨和神经等部位的组织工程。由于胶原在不同的组织表现出质量和类型有所差异，因此胶原在研究和实际应用中都会因作用部分的不同而有所差别。

虽然胶原能为细胞生长提供适宜的环境，但仅仅如此却不能满足组织在短期内快速再生的需求。生长因子对细胞新陈代谢和细胞内外信号转导通路及其级联反应起着重要的调控作用[5]。细胞因子通常由旁分泌或自分泌产生，且仅在局部起作用[6]；因此，体内不同组织、不同时期产生的细胞因子种类和质量差别较大，这为针对特定修复部位提供特定生长因子提供了依据和指导。在CGFB中，少量分散于胶原中的生长因子才是该生物材料功能的核心所在，故如何高效地释放生长因子逐渐成为关注重点。

在众多的细胞因子中，生长因子在组织再生和创伤修复领域发挥着重要的作用，譬如血管内皮生长因子、表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）、碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）、转化生长因子（transforming growth factor，TGF）、血小板衍生生长因子（platelet-derived growth factor，PDGF）、神经生长因子（nerve growth factor，NGF）、骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）等[7-15]。体内细胞因子的释放相当复杂，某一局部涉及的细胞因子或生长因子丰富多样，且按照特定时空顺序进行释放；因此，针对某一局部，通常只选取相对作用最重要、质量最丰富、最具有代表性和实际意义的生长因子进行研究。随着细胞环境模拟度的提高，多种细胞生长因子按照一定的比例协同促进组织生长[16-17]。

近年来，CGFB在组织工程中发挥着越来越重要的作用，譬如，血管再生对大多数组织都至关重要，ECM胶原整合的bFGF和EGF对血管生成有改善或提升效果[18]，故这两种生长因子对于大多数组织的再生都有积极的促进作用。此外，由成纤维细胞主导的ECM的合成和分泌在组织工程修复过程也是必要的，而PDGF有利于成纤维细胞的扩张和迁移[19]。由此观之，与CGFB有关的基础研究可为其决策提供选择方向和依据，但因为细胞生长因子作用的复杂性，故还需要根据具体组织判断选择。虽然CGFB在肌肉、皮肤和黏膜中也有相当重要的作用[17,20-24]，但本文只介绍CGFB在骨和神经修复中的作用及其相应的改良措施。

2　CGFB在骨组织修复中的应用

骨组织修复是组织工程研究的一个重要领域，CGFB作为一个极具前景的生物材料已经投入了市场；然而，传统的CGFB的成骨效果受到胶原和细胞因子自身的限制，并不令人满意，细胞生长因子在胶原中如何更加高效地释放也在很大程度上限制了CGFB的应用。近年来为了进一步提升CGFB在骨组织修复中的效果，不同的试验室分别从胶原性质、生长因子性质以及两者的结合等方面对材料作了改进。

CGFB能在骨组织修复中表现出值得期待的促组织修复效果，在于合理地使用和释放了细胞因子。BMP是一类仅在骨和软骨再生中使用的生长因子，可有效地诱导干细胞成骨向分化和促进受损骨组织修复。研究[25]显示，将BMP分散在胶原中使其随胶原的生物降解释出，由于胶原与BMP之间的结合疏松，因此材料在移植到体内的初期会产生近30%的爆发性释放，这既导致药物的浪费，还可能因药物过量对患者造成伤害。此外临床上尚在使用的基本CGFB模型的释放效果并不令人满意，于是不断有研究者[26]试图从细胞生长因子运载方式上改良原有模型。譬如，Lee等[27]将搭载低剂量的BMP-2纳米纤维置于胶原内部，很好地模拟了ECM的天然结构，达到了缓释和扩大BMP-2骨再生效应的目的。根据该研究结果推断，由纳米颗粒和纳米纤维等组成单一或多级的缓释模型均可应用于骨组织修复；另外，构建复杂的三维仿生模型，也可能有利骨组织修复。

相对于细胞生长因子而言，CGFB的生物力学性能对于骨修复效果的影响不明显，相关研究较少。基质是否适合骨细胞的增殖、生长、迁移和分化也是值得考虑的，而材料自身硬度是一个重要因素[28]。Banks等[29]在通过交联的方法在不改变胶原孔径前提下独立控制硫酸软骨素胶原材料硬度，观察脂肪间质干细胞的成骨分化情况时发现，较硬的基质会无视生长因子的存在而诱导成骨基因表达，而较软的基质则需要生长因子才能诱导成骨基因表达。这一研究结果对于成骨研究领域选择CGFB硬度有着重要的指导意义，根据对诱导成骨的要求，可以选择不同硬度的材料和决定是否选用生长因子。

Yamano等[30]在体内外试验中分别从胶原膜中缓释PDGF和生长分化因子（growth differation factor，GDF）-5发现，GDF-5更能提高成骨细胞的增殖活性和成骨基因表达，从而加速骨再生。在不断寻找和选择天然存在的更适于治疗的细胞因子的同时，人工合成的新细胞因子也正在研究中。Kleinschmidt等[31]将BMP-2残基引入GDF-5中产生了基因突变的蛋白BB-1。BMP-2对于需要血管再生的长骨重建效果并不好，BB-1则结合了BMP-2和GDF-5的优点[32]，同时促进了骨再生和血管再生。沿此思路，可以不断地通过化学合成的方法制造和确认更优的成骨细胞因子，以提高骨组织修复效果。

骨组织重建作为CGFB在组织工程应用的典型方向，存在着组织工程普遍存在的一些问题：释放系统不足，大小骨组织损伤修复要求有所区别等。近期的研究主要集中在细胞因子释放问题上，而对于生物力学性能和细胞因子的选择研究较少。学术界一方面在生物力学性能和细胞因子的问题上已经达成了一致的共识，一方面未来可能缘于释放模型的需要会结合生物力学性能精确控制，也可能因传统细胞因子平庸而启动新细胞因子合成研究。CGFB在骨修复和骨重建研究富有临床意义，也为今后研究提供了思路和依据。

3　CGFB在神经组织修复中的应用

神经修复是组织工程的另一重要领域，但由于神经细胞高分化，故神经修复要较骨重建困难一些。此外，中枢神经系统和周围神经系统在结构功能上有着巨大差别，由于这些差异性和复杂性，所以CGFB在神经修复中的研究侧重点完全不同于前文提到的骨组织修复。CGFB在神经修复中根据修复对象采用了不同胶原设计。

在神经修复中，神经细胞能否有效增殖和迁移相当重要。过去，细胞通常培养于二维环境中，不能很好地模拟细胞增殖和迁移的环境，于是细胞环境的设计开始受到重视，开始出现三维环境的设计[15,33]。Labour等[34]设计了一种由高纯度ECM构成，较普通培养基厚，胶原密度和多孔性以及纤维大小适合神经细胞生长的三维培养基，并加入适量NGF和脑源性神经营养因。该精心设计的仿生三维胶原基质，可有效地促进神经突的生成，而神经突的生成对于周围神经系统修复非常重要。正如前文提到的骨缓释系统设计，神经细胞培养环境设计也模仿了天然ECM的成分和结构，可见这种仿生思路能有效应用于多种领域，而三维环境的设计在针对神经突的周围神经系统修复中也很有发展前景。

在中枢神经系统修复中，凝胶态胶原也能为神经细胞的生长提供良好的环境。过去直接将细胞移植到特定部分，细胞因缺少适宜稳定的微环境，其生长和增殖受到抑制，治疗效果常常难尽如人意，而胶原凝胶的注入能为细胞提供了良好的微环境。Egawa等[35]将神经干细胞置于结合了EGF的胶原凝胶中，干细胞明显增殖且成功分化为多种神经细胞亚群。Macaya等[36]发现，结合有成纤维细胞生长因子-2胶原水凝胶的星形胶质细胞能有效渗入凝胶并迁移到移植体部位。由此可见，胶原凝胶适宜的环境，神经细胞能有效地增殖、分化和迁移，从而有利于神经修复进行，有望应用于中枢神经系统的临床修复。

神经修复还可能需要特殊基质形态来满足修复的要求，这可能是神经修复与其他组织最大的区别。在周围神经系统修复中，鉴于神经轴突的特殊形态，通常会采用与其形态相符合的神经导管。神经导管的基本作用是为损伤神经末端创造一个能再生、通过和连接的稳定环境。神经缺损的距离越长，修复难度越大，为了延长修复距离，有研究[37]将细胞因子刺激与导管胶原支架结合起来，希望能促进神经断端重新接合。Cui等[38]将结合了睫状神经营养因子和bFGF的胶原支架连接到微型猪缺损长度达35 mm的神经间隙近端和远端之间，成功诱导了长距离神经再生。该研究证明了短距离修复可应用于长距离修复[39]。

CGFB在神经组织修复的研究范围远远不如骨组织修复多样，或者说还处于一个相对初级的阶段，这可能缘于修复本身的复杂性和神经组织的多样性。到目前为止，只侧重于有利的修复环境的设计，至于生长因子的选择，基本上是一些常用的细胞因子和一些神经营养因子，显得针对性不强；但是，神经组织的修复不仅需关注神经修复环境的问题，神经系统不同部分、不同细胞的差异性也是需关注的重点，因此，修复的研究也逐渐走向具体和精细化的方向。人们有理由相信，CGFB在神经组织重建方面还会有更多精细化的环境设计，同时也期待更多突破现有瓶颈的研究成果出现。

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（本文采编 王晴）

Application of collagen and growth factors for bone and nerve healing processes

Zhu Chenyou, Cao Yubin, Deng Jia, Qi Wenting, Cao Cong, Shi Bing.
(State Key Laboratory of Oral Diseases, Dept. of Cleft Lip and Palate Surgery, West China Hospital of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, China)

This study was supported by Undergraduate Student Innovation and Entrepreneurship Training Program of Sichuan University(20140759)

Collagen possesses weak antigenic activity, high biocompatibility, biodegradability, and biomechanical properties. It has been widely used in tissue engineering of various organs, such as skin, tendons, blood vessels, nerves, and bones. Growth factors are a class of molecules that effectively regulate cell metabolism and tissue repair. Collagengrowth factor biomaterials(CGFB) exhibit desirable biological and biomechanical properties in osteogenesis, nerve repair, tendon reconstruction, and repair of chronic wounds. In the process of osteogenesis, CGFB ideally release growth factors, effectively inducing osteogenic differentiation of stem cells, thus promoting repair in bone defects. In the process of nerve repair, a specific design of CGFB for a purpose can effectively promote neuritis generation. In the process of central nervous system repair, the injection of collagen gel can provide a desirable microenvironment for cells, which is beneficial for central nervous system repair. This article reviews the basic properties and recent studies in bone and nerve repair of CGFB to provide future direction of improvement.

collagen； growth factor； tissue engineering； bone regeneration； nerve regeneration

R 783.1

A [doi] 10.7518/gjkq.2016.06.024

2016-02-05；

2016-04-21

四川大学大学生创新创业训练计划（20140759）

朱宸佑，学士，Email：tn00992786@qq.com

石冰，教授，博士，Email：shibingcn@sina.com