组织工程角膜载体支架研究进展
⇨⇦
赵钰+王燕
【摘 要】目前全球范围内，因角膜疾病而导致失明的人数逐年增加，仅次于白内障。组织工程角膜为解决供体角膜的严重匮乏这一难题提供了理想的思路和方法。组织工程角膜是指利用组织工程技术以及生物材料或人工合成材料为载体，将角膜的种子细胞接种在载体上进行培养，体外重建角膜组织，构建与正常角膜功能等效的活性人工角膜以取代人体供体角膜，解决角膜材料来源的缺乏。其中角膜载体支架是角膜细胞能够发挥正常生理功能的场所，为角膜细胞的生长增殖和迁移提供了良好的微环境，因此构建一个理想的载体支架是组织工程角膜的关键。
【关键词】组织工程角膜；载体支架；羊膜；胶原；丝素蛋白；壳聚糖
角膜是位于眼睛前端的透明结构，承担了眼睛超过2/3的折射功能，可以吸收紫外线，而且是眼睛内部与外部环境的物理屏障，能够阻止细菌和其他外来感染[1]。全球范围内因外科创伤、细菌病毒感染及遗传环境导致的角膜功能缺失和视觉损伤的患者已超过100万人[2]。角膜移植是替换受损或坏死的角膜的主要治疗方式，然而存在供体角膜的严重缺失和排斥反应的问题。为解决这个问题，研究者们进行了很多尝试：构建人工材料的角膜移植、利用脱细胞的动物源或人源的角膜支架、利用无细胞的胶原交联形成支架等[3]。
目前报道的可用于构建组织工程角膜的天然生物材料主要有：胶原支架[4]、羊膜[5]、丝素蛋白[6]、壳聚糖[7]等。
1、胶原
胶原有以下特点：1.胶原是脊椎动物体内组成结缔组织的主要成分，它的不同组织形式构成了具有不同机械属性的结构（牙齿、骨、心肌、肌腱、皮肤、角膜、韧带、椎间盘等）；2..胶原是产生肌肉骨骼叶间原基的主要胚胎模板分子；3.最近的研究数据显示胶原纤维是通过机械张力来稳定的，而且与胶原一起构成细胞外基质分子可能参与组成一个灵敏的、负载适应的、脊椎动物中普遍存在的结构系统[8]。胶原作为角膜组织的主要成分和结缔组织中承担机械性能的成分，已经被广泛的研究其作为角膜组织工程支架材料的可能性[9]。已经有报道利用EDC交联人III型胶原构建角膜替代物移植了10例患者，并跟踪观察了24个月。在10例患者中均发现移植的III型胶原能够刺激角膜细胞和神经的再生，伴随着泪膜恢复和过敏反应[10]。
2、羊膜
羊膜是人胎盘的最内层，呈半透明的膜样组织，自外向内分为5层，厚度在20-500μm之间，是人体最厚的基底膜。羊膜结构致密，机械性能较好，且无抗原性，在组织工程技术中应用广泛。羊膜可以抑制白细胞介素的表达，调节炎性趋化因子表达，可以对炎症反应起到抑制作用。在羊膜上接種兔的角膜缘干细胞，然后进行自体移植。术后5d，移植复合物就与眼结膜上皮愈合，完全上皮化[11]。有研究表明，将兔角膜基质细胞与羊膜共培养，会促进角膜基质细胞中蛋白多糖的表达。但羊膜多来源于异体，有可能会携带致病病毒或病菌，有传播疾病的潜在危险性。
3、丝素蛋白
丝素蛋白是蚕丝的主要结构蛋白，含量达70%-80%，含有多种氨基酸。研究发现，丝素蛋白具有很好的力学性能、良好的人体亲和性、无细胞毒性、生物相容性和可降解性等，这些特点使丝素蛋白能够应用于组织工程角膜。Gil等合成的丝素蛋白膜透明度好、可生物降解、机械性能强，接种HCSC后细胞在丝素蛋白膜能按一定规则的方向排列生长和增殖，而且14d后，细胞仍能分泌合成V型胶原和蛋白聚糖。Lawrence等以丝素蛋白为原料制备透明度高、厚度与孔径大小稳定的丝素蛋白膜，并接种人和兔角膜基质细胞后，发现细胞在支架内生长状态良好，具有理想的生物相容性[12]。Bray等也证实了角膜上皮细胞能在丝素蛋白膜生长良好并能正常表达角蛋白3和角膜蛋白12。由以上研究结果表明丝素蛋白在组织工程角膜领域中有很好的前景，有其优良的性能，将会有更多的研究者加入其中。
4、壳聚糖
壳聚糖是甲壳素进行脱乙酰化后的产物，是具有多氨基的多糖类物质，生物相容性较好，其在体内降解产生的物质对人体无毒害作用，且来源广泛、价格便宜，能够作为组织工程的支架材料的来源。壳聚糖制备的载体支架材料除具有良好的生物相容性，还具有抑菌性和促进愈合的性能。将壳聚糖支架与兔角膜基质细胞构建组织工程角膜基质，并进行板层移植。两周后植片脱落，表明机械性能不好；产生了新生血管，说明壳聚糖还具有潜在的免疫原性。而且壳聚糖分子量大小很难控制，降解速率不理想，且无法形成有效的孔结构，故临床上受到很大限制。
组织工程技术的兴起和发展为眼表移植和再造提供了最理想的方法。如何在体外获得功能正常的人角膜种子细胞以及如何研制出生物相容性理想的载体支架是组织工程人角膜上皮体外重建的两大关键要素，也是目前角膜组织工程的研究热点和主攻目标。组织工程角膜的板层移植在临床上取得的初步成功已显示了它的巨大潜力，已成为国内外研究的热点。
【参考文献】
[1] Smolin G， Thoft RA. Boston： Scientific Foundations and Clinical Practice.The cornea.1983
[2] Whitcher JP， Srinivasan M， Upadhyay MP. Corneal blindness： a global perspective. Bull World HealthOrgan.2001，79：214-21
[3] McLaughlin CR， Tsai RJ， Latorre MA， Griffith M. Bioengineered corneas for transplantation and in vitro toxicology. Front Biosci. 2009， 14： 3326-3337
[4] Doillon CJ， Watsky MA， Hakim M， Wang J， Munger R， Laycock N， Osborne R， Griffith M. A collagen-based scaffold for a tissue engineered human cornea： physical and physiological properties. Int. J. Artif. Organs. 2003， 26： 764-773endprint
[5] Grau AE， Duran JA. Treatment of a large corneal perforation with a multilayer of amniotic membrane and TachoSil. Cornea， 2012， 31 ：98-100
[6] Lawrence BD， Marchant JK， Pindrus MA， Omenetto FG， Kaplan DL. Silk film biomaterials for cornea tissue engineering. Biomaterials. 2009， 30 （7）： 1299-1308
[7] Liang Y， Liu WS， Han BQ， Yang CZ， Ma Q， et al. Fabrication and characters of a corneal endothelial cells scaffold based on chitosan. J Mater.Sci. Mater. Med. 2011，22（1）： 175-183
[8] Bhole AP， Flynn BP， Liles M， Saeidi N， Dimarzio CA， Ruberti JW， et al. Mechanical strain enhances survivability of collagen micronetworks in the presence of collagenase： implications for load-bearing matrix growth and stability. Philos Transact A Math Phys Eng Sci. 2009， 367： 3339-62
[9] Tao C， Sun Y， Zhou CQ， Han ZL， Ren QS. Effects of collagen crosslinking on the interlamellar cohesive strength of porcine cornea.Cornea. 2013，32：169-173
[10] Fagerholm P， Lagali NS， Merrett K， Jackson WB， Munger R， et al. A biosynthetic alternative to human donor tissue for inducing corneal regeneration： 24-month follow-up of a phase 1 clinical study. Sci Transl Med. 2010， 2： 46-61
[11] Koide M， Osaki K， Konishi J， Oyamada K， Katakura T， et al. A new type of biomaterial for artificial skin： dehydrothermally cross-linked composites of fibrillar and denatured collagens. J. Bio-med. Mater. Res.1993， 27： 79-87
[12] Lawrence BD， Marchant JK， Pindrus MA， Omenetto FG， Kaplan DL. Silk film biomaterials for cornea tissue engineering. Biomaterials. 2009， 30 （7）： 1299-1308