人体的银色战衣之二： 再生医学与皮肤组织工程学进展

 

在本专栏的第6集，我们曾经提到，人体是迄今为止最为复杂的机器。但和一般的机器不同，人体是具有自我调节能力、能够应对外界压力与挑战的复杂有机体。为了在战斗和运动过程中保护身体免受损伤，在肉眼看不见的人体表皮层之下，人类进化出了一套贴身战袍：细胞外基质（extracellular matrix，ECM）。ECM仿佛人体表面的银色战衣，为体内的所有细胞的生存及活动提供适宜的空间，并通过信号转导系统影响所有细胞的行为。

 

细胞外基质（extracellular matrix，ECM）是由组织中的细胞所分泌并停留于细胞外的一类产物。大量研究表明，细胞外基质可以针对生物体内的微环境的变化而产生动态响应，影响细胞的行为，并维持着生物体内各组织的稳态。

生物力学研究表明:人体细胞外的ECM结构是以桁架为基础架构的多边形生物张拉整体，它是由连续张力构件（例如：氨基聚糖与蛋白聚糖）与不连续压缩构件（例如：胶原蛋白）组成的张拉整体，它能够承受巨大的外界应力并能保持原本形状的稳定性。过去二十年的科学研究已经证实，细胞外基质（ECM）不仅仅只是为组织和机体提供力学支持和物理强度。ECM的刚度和弹性还会广泛影响细胞的所有生物学行为过程，包括扩散、生长、增殖、迁移、分化和类有机物的形成等等。

 

图1人体细胞外的 ECM 结构，来源：《筋膜：它是什么，何以重要》

从再生医学的角度来说，大面积的皮肤溃疡可能对生命造成严重威胁，对于外科手术切口，烧伤烫伤造成的溃疡以及长期慢性溃疡患者来说，伤口愈合能力与存活率与生存状态密切相关。与此同时，伤口的愈合速度决定着病患者的二次感染、生理疼痛、愈伤疤痕等状况；与急性溃疡相比，由于激光射频美容、注射医学美容、表皮刷酸祛痘治疗、化妆卸妆皮肤损伤等现代化生活方式所带来的皮肤表皮甚至真皮损伤，正在影响着全球数十亿人的生活质量，因此皮肤再生医学领域的安全且高效皮肤再生修复的新材料技术，也越来越受到关注和期盼。

 

人工合成真皮替代物研究进展

人工合成真皮替代物系采用葡聚糖、透明质酸、胶原等材料合成的真皮基质，比如美国的Dermagraft、Integra以及国内的Lando。目前真皮替代物创面修复技术一般会采用两步法，待第1次手术移植的真皮替代物经2-3周血管化后，再进行第2次自体刃厚皮复合移植。在深度烧伤创面、外伤性全层皮肤缺损创面、瘢痕切除后创面的修复中取得了良好的临床效果。

然而目前临床应用的真皮替代物，并不含有任何的皮肤附属器（皮脂腺、汗腺等）、神经末梢、毛细血管等生理结构，无法真实模拟真皮生发、排汗、感觉等功能，也就不能称为真正意义上的具有完整皮肤生理功能的全面的真皮结构。基于传统化学交联及物理方法构建的真皮替代物，几乎无法模拟皮肤复杂的细胞、细胞因子、ECM的空间分布，这是导致皮肤附属器及神经血管等结构无法再建的重要因素。三维打印技术的发展，为解决上述难题提供了新的思路。

通过计算机辅助下的生物墨水、种子细胞及活性因子的精准时空打印，已有研究者构建出含Fb、表皮细胞、基底膜及黑色素细胞的皮肤替代物。在体原位皮肤打印也取得了较大进展，研究者开发出手持式三维生物打印机，实现了小鼠及猪创面模型中的原位皮肤构建。但当前三维打印人工皮肤还处于技术摸索阶段，要实现真皮的理想仿生还有很长的路要走。

 

多孔海绵支架技术研究进展

多孔支架海绵或空心泡沫的形式的生物组织工程材料通常具有由随机分布的孔隙组成的互连结构，该结构对皮肤组织再生、血管化和ECM的沉积具有重要的基础支持作用。影响多孔支架性能的主要因素有孔隙大小、孔隙率、孔隙连通性和孔隙形态，这些参数的最佳范围往往取决于生物材料类型和应用部位。

当前主要有几种方法如反蛋白石水凝胶法、冷冻干燥法、高内相乳液法等，可以通过控制孔径参数来调控多孔支架的部分特性。有研究者使用冷冻干燥法，以重组人胶原蛋白和壳聚糖为材料，再与1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺交联，制备了一种孔隙率>90%的多孔支架。该研究团队通过体外研究观察到，可以通过适当增加重组人胶原蛋白浓度或引入壳聚糖来调整支架的膨胀能力、稳定性和机械性能，并在大鼠全层皮肤缺损创面模型上证实，这种支架能够通过促进Fb增殖和ECM在创面中的沉积来加速组织再生。目前来看，虽然使多孔支架达到促进创面修复最佳效果的孔隙大小等一系列参数尚未明确，但可在仿生正常皮肤空间结构的基础上，根据所使用的生物材料加以改进。

 

细胞生物修饰技术研究进展

细胞生物修饰是人工真皮支架构建中的重要技术途径，该技术可以有效促进创面愈合和皮肤再生。间充质干细胞（MSC）是目前较为常用的细胞生物修饰选择对象，包括很多彼此不同的细胞类型，其中脂肪来源的MSC（ADSC）能够分化为Fb样表型，产生所有ECM相关生物活性成分，从而可能做到完全恢复真皮的生理结构的技术目标。有学者总结了现有研究成果，分析得出将人或鼠源性ADSC嵌入支架中能改善支架性能，增加支架材料的机械强度，将该类支架应用于鼠（包括大鼠、裸鼠等）全层皮肤缺损创面后，缩短了创面的愈合时间。

 

有研究者将人源性ADSC接种在市售ADM（Integra®）支架上，使用HE染色、环境扫描电子显微镜和激光扫描共聚焦显微镜等证实ADSC能被有效地接种在ADM上，并完美融入支架孔隙；且接种了ADSC的ADM的胶原蛋白产量相对于单独的ADM显著提高。目前有更进一步的研究旨在将MSC和ADM与局部药物相结合，制成具有更好创面修复效果的人工真皮支架。例如，有研究者将噻吗洛尔与MSC嵌入市售ADM（Integra®）后应用于小鼠糖尿病创面模型中，对比单纯应用MSC或ADM，复合支架能增强抗炎作用和促进血管生成，显著提升创面的愈合速度。

 

生长因子修饰技术研究进展

生长因子在创面愈合过程中能有效调控细胞的代谢行为，然而，由于在人体内半衰期短，其临床应用受限。通过将生长因子与适当的生物材料结合应用，有可能可以解决此类问题，同时提升支架性能。生物材料可保护各类生物活性分子，同时可提供网络支架结构便于组织再生修复。

富血小板血液制品也可提高生物材料的活性，促进组织细胞的增殖和迁移，两者结合，可以实现协同增效。如PRP包含高浓度血小板，其被激活后可以释放多种生长因子，包括FGF、EGF、血小板衍生生长因子、VEGF、TGF-β。国内有学者合成了一种负载PRP的多肽纳米纤维水凝胶，有效延长了PRP的作用时间，其缓释效果可以持续四天；进一步通过在大鼠全层皮肤缺损创面进行实验，对比分别接受单纯PRP、单纯水凝胶以及负载PRP的水凝胶处理后创面中心区域的毛细血管数量、血流灌注量、细胞增殖情况，证实多肽纳米纤维水凝胶联合PRP可协同促进血管再生，加速创面愈合。

 

皮肤组织工程学的挑战与机遇

目前的真皮替代物移植后远期抑制瘢痕增生、减轻瘢痕挛缩的效果仍有待进一步研究和发展。此外，由于早期血管化形成不及时，难以维持重叠移植自体皮片的存活机率，常需采用两步法移植方式，不仅延长了患者住院时间、增加了其医疗费用，而且由于创面无法尽快上皮化，从理论上分析亦增加了瘢痕增生的风险。

再者，对于大面积深度烧伤创面的修复，真皮替代物能否与目前较成熟的修复技术如微粒皮移植、Meek植皮等结合应用，从而扩大植皮面积并改善修复质量尚不清楚。如何进一步改善真皮替代物的理化特性（如孔隙率、渗透性、表面拓扑结构）及生物学特性（如促血管化、预构血管网、提高抗感染性能等）仍是提高其临床应用效果、拓展其应用范围的重要研究方向。

 

图 2 ECM 的张拉整体结构，
来源：Tensegrity I : Cell structure and hierarchical systems biology

真皮替代物目前仍只是起到真皮支架和引导真皮重构的作用，并不具备主动诱导组织重建、再生皮肤附属器的功能。当前真皮替代物研发的关键问题主要包括以下几个方面：

创面修复再生基础研究不足：目前对创面修复认识不够深入，比如为什么胎儿能无瘢痕愈合而成年人不能，为什么小鼠愈合创面能再生毛囊而人不能，创面愈合不同时期有哪些细胞参与，每种细胞受哪些因子调控等。传统研究均采用单个时间点、单个分子、单个空间位置的研究模式，难以还原创面修复过程中整个时空序列下微环境特征及网络化作用关系，融合基因组学、蛋白组学、代谢组学等方法，系统性研究创面修复再生机制，是构建仿生型真皮替代物的基础。

缺乏主动诱导组织修复再生的智能仿生型真皮替代物：创面愈合分为凝血期、炎症期、增殖期及修复重塑期，任何阶段的阻滞均可导致创面延期愈合或重建不良。构建适配创面不同时期微环境特征的智能真皮替代物并主动调控其向下一阶段发展，可有效促进创面愈合并改善创面愈合质量。

 

图 3 皮肤损伤愈合的过程原理图，从创口期（A）→炎症期（B）→增殖期（C）→重构期（D），
来源：Zeolite in tissue engineering: Opportunities and Challenges

近年来，纳米材料的迅猛发展为实现这一目标提供了可能。比如通过纳米包裹的方式，制备环境敏感型智能生物材料，在创面不同pH值、活性氧或金属蛋白酶水平等条件下主动控释微小RNA、细胞因子等物质，从而调控创面炎症反应并促进肉芽组织新生。干细胞在主动改善创面微环境中的作用也得到越来越多的文献支持。目前主流观点认为干细胞主要通过旁分泌各种因子调控创面炎症反应、促进肉芽组织形成及创面上皮化。脂肪、脐带、胎盘等不同来源的间充质干细胞是目前认为最有可能实现临床转化的干细胞类型，国外已有相应的上市产品（比如韩国的Cartistem®、欧盟的TiGenix等）被用于治疗膝关节软骨损伤及自身免疫性疾病，但在创面修复领域尚缺乏相应产品。

另外，在材料构建上一些关键性的挑战仍然需要不断探索：a.如何选择最适合的生物制造方法以模拟皮肤复杂的解剖层次。b.如何优化多种生物材料组合与性能，以引导细胞生长与分化。c.如何根据皮肤不同层次的特点，确定种子细胞类型、接种密度及细胞形态。目前在皮肤细胞生物学和皮肤再生医学领域，我们对皮肤组织工程修复的最优技术实现方式，还有许多谜题有待解决，我们期待着在皮肤组织工程的基础技术研究和应用研究上，未来可以出现更多激动人心的新发现和新成果。

 

参考文献：
1. Tensegrity I Cell structure and hierarchical systems biology，Journal of Cell Science 116 (7)
 2003.
2. Tensegrity II How structural networks influence cellular infomation processing networks 116（8），2003.
3. Nelson C M ,  Bissell M J . Of Extracellular Matrix, Scaffolds, and Signaling: Tissue Architecture Regulates Development, Homeostasis, and Cancer[J]. Annual Review of Cell & Developmental Biology, 2006, 22(1):287-309.
4. D  Barkan,  Green J E ,  Chambers A F . Extracellular matrix: a gatekeeper in the transition from dormancy to metastatic growth.[J]. European Journal of Cancer, 2010, 46(7):1181-1188.
5. Hynes R O ,  Naba A . Overview of the Matrisome—An Inventory of Extracellular Matrix Constituents and Functions[J]. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 2012, 4(1):a004903.
Desimone D W ,  Mecham R P . Extracellular Matrix in Development[J]. Springer Berlin Heidelberg, 2013.
6. MI Avila Rodríguez, LG Rodríguez Barroso, ML Sánchez. Collagen: A review on its sources and potential cosmetic applications[J]. Journal of Cosmetic Dermatology, 2017.
7.《细胞外基质及其生物学作用》微信公众号：癌图腾 2017-01-04
8.《体内构建带有诱导结构的细胞外基质支架引导组织定向再生》微信公众号：EngineeringForLife 2020-02-18
9. 肖仕初、郑勇军.组织工程皮肤现状与挑战.中华烧伤与创面修复杂志.2020,36(3):166-170
10. 陈继秋, 朱世辉. 基于生物材料构建人工真皮支架的研究进展[J]. 中华烧伤与创面修复杂志, 2022, 38(10)：968-972
11. 张思宇.皮肤组织工程支架及其材料在创面修复领域中的研究进展.协和医学杂志.2023 14(3).

 

来源：荣格-《 国际个人护理品生产商情》

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