细胞外基质在兽医行业的应用

 

在软组织修复中的应用

 

关键词：组织工程，再生医学，细胞外基质（ECM），生物支架，膀胱基质（UBM），小肠黏膜下层（SIS）

组织工程领域致力于疾病、损伤或先天性缺失组织的修复和器官的重建。所基于的支架材料可以是天然存在的，例如从牛来源获得的纯化胶原蛋白或从牛或猪来源获得的完整细胞外基质。或者，支架可以是合成的，例如聚乙醇酸/聚乳酸共聚物（PLGA）、聚己内酯（PCL）或聚四氟乙烯（PTFE）。支架可以是可吸收的（例如，非交联胶原或PLGA）或不可吸收的（PTFE或涤纶）。天然存在的支架，如纯化的胶原蛋白或细胞外基质（ECM）可以化学交联，也可以在天然状态下使用。每个对应不同的临床应用。

每种类型的组织支架在伤口愈合方面都有其优缺点。机械强度、体内降解速率以及与邻近宿主组织的生物相容性都是决定支架材料在临床应用中的效用的因素。目前的热点是使用自然的细胞外基质作为组织工程支架。

细胞外基质（ECM）（例如I型胶原蛋白或透明质酸）可用于治疗各种医疗/外科疾病，例如：ACell Vet，Jessup，MD；Vet BioSist，Global Vet Products，New Buffalo，MI；Perigard，Iotano Services，Houston，TX；RESTORE，DePuy，Warsaw，IN；SurgiSIS，库克生物技术公司，西拉斐特，IN；Synvisc，Genzyme Biosurgery等等产品，细胞外基质代表了一组结构和功能分子，这些分子以三维超微结构的形式组织起来，对每个组织和器官都是独特的。ECM由常驻细胞群分泌，不仅为每个组织和器官提供结构框架，而且还提供有助于细胞表征和行为的信息来源。ECM代表大自然的理想化生物材料，该材料是为身体中的每个组织和器官以及该组织或器官所处的每一组环境条件定制制造的。因此，在组织工程应用中，细胞外基质可以被认为是一个具有良好生物相容性和有利于宿主组织修复或重建的环境。

ECM的主要成分是胶原蛋白和生长因子。ECM中最丰富的成分是胶原蛋白。目前有超过20种不同的胶原蛋白，这些胶原类型大致可分为两大类：形成原纤维的胶原，如Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ和Ⅵ型胶原和非原纤维胶原。非纤维胶原可进一步细分为亚家族，例如网状胶原，例如基底膜胶原（例如，IV、VIII和X型）和具有中断三螺旋（FACT）的纤维相关胶原（例如，IX、XII、XIV、XVI和X型），这些不同的胶原亚型在组织和器官中有特定的分布，它们的数量和变异性说明了在试图为每个临床应用创造理想的支架时所面临的挑战。在将胶原用作组织工程应用的支架的背景下，期望从纯化胶原类型（例如I型）衍生的支架用作真皮替代物或血管等效物也许是幼稚的。另一方面，这些纯化形式可提供一个可接受的起点，允许宿主/患者用胶原和非胶原成分的适当混合物重建新的等效组织。

各种各样的生长因子是ECM重塑、组织生长和分化以及细胞行为的重要组成部分。然而，它们与ECM的关系是很重要的，因为ECM在体内平衡和伤口愈合过程中起着结合、储存和释放这些生长因子的作用。蛋白多糖倾向于控制ECM的水合作用，从而控制存在于细胞迁移中的分子间距。蛋白聚糖如核心蛋白聚糖、双聚糖和纤维调节蛋白结合转化生长因子β（TGF-），硫酸乙酰肝素PGs结合bfgf和VEGF。

总之，ECM是一种非常复杂的天然聚合物，不仅对组织和器官有特异性，而且对每个组织和器官内的结构（如基底膜）也有特异性。此外，ECM是一个动态结构，在本质上不断被更换、修改和恢复。

在组织工程领域，ECM支持多种组织的修复和重建，包括心血管结构、肌腱结构、泌尿生殖系统等 ，胃肠道的结构、皮肤、神经，评估这些应用的研究涉及动物模型的使用，其中许多模型直接适用于兽医学。

ECM-Bioscaffolds在急慢性皮肤创伤修复中的应用，来源于猪膀胱（UBM）和猪小肠粘膜下层（SIS）的细胞外基质支架作为真皮替代物的能力已被评估。伤口使用中使用这两个ECM设备进行全厚度皮肤（真皮）创伤是值得注意的一个应用，UBM由一个表面含有上皮基底膜的ECM和另一个表面下固有膜的结缔组织组成，这种双峰微结构提供了一个理想的环境，通过固有膜表面附着在下面的伤口床上，同时为角质形成细胞在外层（基底膜）表面的生长提供了天然基质。相反，SIS是由来自猪小肠粘膜下层和基底粘膜层的ECM分子积聚而成。体外研究表明，角质形成细胞、成纤维细胞、内皮细胞和其他类型的细胞倾向于侵入SIS物质。虽然细胞入侵是从潜在的伤口床表面，入侵表面的角质形成细胞。鉴于其血管生成的潜力，这两种ECM材料提供了良好的生物修复真皮的能力。对于全厚度皮肤（真皮）伤口重建，已经评估了各种形式的ECM，包括材料的水合形式、冻干形式和多层形式。虽然ECM的水合形式通常为体外细胞生长提供最一致和最有利的基质，但是冻干和脱水（风干）形式的材料也为细胞再水化后的生长提供合适的表面。大多数皮肤创伤研究都在猪全层皮肤创伤模型中使用了水合和冻干形式的ECM。

也许在兽医学中，ECM生物支架最合适的用途之一是开放性皮肤创伤修复，ECM生物支架不仅提供了防止脱水的保护屏障，而且还提供了抗菌防御的第一道防线、血管生成和有丝分裂生长因子的来源以及加速角质形成细胞覆盖的有利表面。 

肌腱修复的ECM生物支架，ECM生物支架在再生医学中最广泛的应用之一是修复和重建受伤或缺失的肌腱组织。ECM-bioscaffolds已用于20000多例患者的肩袖撕裂、急性或忽略的跟腱断裂以及髋关节和膝关节的大关节囊缺损的替换（在人类）。肌肉肌腱损伤在兽医中很常见。生物支架可以提供机械支持，同时促进建设性的重建反应（即重建接近正常的肌肉、肌腱和韧带组织），对这些损伤的外科治疗具有明显的价值。

组织工程方法利用ECM生物支架修复和重建肌肉肌腱结构，涉及以下基本概念：ECM生物支架应具有合适的机械性能，以在手术后立即替代受伤组织的正常功能；ECM能迅速降解并被宿主结缔组织所取代。

在人类骨科手术中引入ECM-bioscaffolds显著改变了术后病人的护理。用ECM-bioscaffolds进行肩袖置换术后，立即进行主动活动和抗阻力负荷，而传统的术后护理将限制康复到被动活动范围4-6周，然后逐渐恢复主动活动。类似地，用ECM生物支架修复人类跟腱断裂后，立即将患者放置在步行靴（而不是石膏）中，四周后移除所有外固定。

在狗和兔子跟腱节段切除术中进行的临床前研究显示，跟腱结构和功能正常的肌腱重建反应迅速。最近的研究表明，ECM跟腱修复支架在60天内迅速完全降解（未公开数据）。临床前利用狗的内侧半月板切除模型进行的研究表明，在三到六周内，几乎正常的半月板软骨可以迅速而完全地替换半月板皱襞。虽然临床上不需要对狗进行半月板置换，但这些研究证实了用ECM生物支架重建特定部位组织的原理。与跟腱研究中出现的肌肉腱样分化相反，重塑ECM生物支架的压缩负荷导致填充支架的细胞的软骨分化。在犬模型中的大量研究表明，ECM支架在肌肉修复和修复中的实用性替换。这些研究表明，部分重建组织骨骼肌，而不是简单的疤痕组织沉积。腹壁和胸壁、先天性疝气和膈疝的兽医应用很明显。

综上所述，ECM在兽医肌肉肌腱结构外科修复中的应用为护理质量的显著提高提供了机会。