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功能生物材料:为创伤修复提供“备用件”
发布时间:2013/6/9 阅读:469

在日常生活中,交通事故、手术治疗等都可能会给人体带来创伤和组织缺损。修复创伤、组织再生甚至器官再生一直是生物领域科学家努力攻克的难题。
      在第十一届北京生命科学领域学术年会上,中科院遗传与发育生物学所研究员戴建武作了题为《生物材料、干细胞与组织再生》的报告。这份报告介绍了他的多项研究工作,令人对创伤修复领域的进展感到振奋。

 胶原膜:引导组织再生

       再生医学、组织工程中经常会提到“支架”这个名词。它在创伤修复中起什么作用?戴建武用了一个通俗的比喻来解释:就像盖房子一样,要先搭好架子,之后才能在上面添砖加瓦。对于组织工程来说,支架提供了一个有利于细胞黏附、增殖、分化及组织再生的环境。

       用来做支架的生物材料有很多种,包括天然生物材料、合成有机高分子材料等。戴建武实验室主要关注天然生物材料中的胶原蛋白。

       谈及选择胶原蛋白的原因,戴建武表示主要有两点:一是它的来源很广泛,牛、猪等动物皮肤、肌腱上蛋白总量大部分都是胶原,以牛的肌腱来说,其总蛋白中85%都是胶原蛋白;二是它是一种结构蛋白,并且动物的与人的相似度非常高,都是细胞外基质的主要成分。

       在戴建武的实验室里,《科学时报》记者见到了两种胶原膜材料:一种是胶原海绵,其主要用途是止血。另一种是可以用于缝合的胶原膜,它具有一定的力学强度。

       关于胶原海绵的应用,戴建武介绍了他的研究团队曾经研制胶原颗粒用于战伤如刺刀、子弹等贯通伤的治疗。在这项研究中,研究人员将胶原制成颗粒状,可以直接用于深度创面的处理。胶原具有很好的凝血作用,在止血的同时可以促进组织再生。

       而可用于缝合的胶原膜材料,其用途更为广泛,在人体内降解速度较慢。目前,临床应用中,疝气病人的治疗过程中就可以使用这种材料。由于疝气病人腹壁肌缺损,可使用这种具有一定力学强度的胶原膜来填补。由于这种胶原膜没有使用任何化学交联剂,所以在体内的降解速度与再生同步,可以非常有效地引导组织再生。动物实验证明其可以引导腹壁肌的再生。烟台正海生物技术有限公司已将这种胶原膜研制出三个国家药品食品监督管理局批准生产的再生医学产品,分别用于口腔组织损伤修复,皮肤损伤修复和硬脑膜缺损修复。已将用于三万多组织损伤病人,证明其有良好的组织再生引导作用。

      戴建武介绍,这两种胶原蛋白材料对于组织的再生具有引导作用。对于修复比较快的组织例如皮肤组织,使用支架就可以满足人体对再生速度的要求了。

 结合生长因子的功能材料:主动加速生长

       实际上,人体内有些组织与皮肤组织不同,其修复是需要加快再生速度的。上面提到的这两种胶原膜材料只具有引导作用,并不具有生物活性诱导作用。如果要达到加快组织再生和创伤修复的目的,就需要另外一个因素——生长因子。生长因子可以大大加速创伤修复的速度,在创伤修复过程中发挥着重要作用。

       戴建武告诉记者,胶原材料与生长因子可以相辅相成地促进和提高创伤组织的修复速度和质量。因此,胶原材料与生长因子相结合构成的功能材料在创伤修复领域越来越显示出独特的优越性能。这种结合生长因子的功能材料不像单纯的胶原材料只是被动地引导创伤组织修复,而是一种能主动对机体的理化或生理过程产生影响的生物活性材料。

       戴建武的实验室提出了独特的以胶原蛋白为基质结合生长因子的功能生物材料。这一材料与传统上制作的功能材料具有很大的差异。

       传统上,研究人员在做功能材料时,只是将生长因子与生物材料简单混合。当把这种材料移植到人体内,由于体液的作用,造成生长因子的自由扩散,会导致三方面不利因素:一是要达到修复效果,需要增加生长因子用量,提高成本;二是过量使用生长因子可能会有副作用;三是由于生长因子扩散可能导致材料周边组织生长不均匀。

       戴建武及其研究团队通过基因工程,使生长因子与胶原蛋白特异结合,成为胶原结合体,构成独特的功能系统,能够达到局部富集高浓度的目的,使材料用量减少且组织再生均匀。

       该团队开发的骨修复材料就是这种功能材料,是由含胶原的骨材料和能与胶原结合的人骨形态发生蛋白(BMP-2)复合而成。BMP-2是现今发现的骨形态发生蛋白家族成员中诱骨作用最为明显、研究得最为深入细致的骨生长因子。

       该团队研究人员采用基因工程技术,使BMP-2与胶原蛋白特异结合,移植到人体后,在较长时间内能够保留在生物材料上,能定向引导骨组织再生和有效修复缺损的骨组织,从而获得优异的骨修复效果,具有超越目前市场上活性骨材料的优势。该技术拥有自主知识产权。目前,这一新型骨修复产品正在国家药监局进行检测,计划于明年完成临床前试验。这一创新性的工作是中科院知识创新工程重要方向性项目,也是产学研结合较好的一项工作。

       谈起这一技术的未来前景,戴建武表示,由于骨折、创伤、肿瘤切除等导致的骨缺损是临床上很常见的问题,骨修复市场需求巨大。这一技术实现产业化后,将带来巨大的经济效益和社会效益。

       类似的应用还包括脊髓损伤修复,它是临床上常见的严重中枢神经损伤。实际上,神经损伤与皮肤损伤具有很大的差异性。神经一旦损伤,将会形成抵制神经再生的环境,因而是现代医学的重要难题。

       为了解决这一难题,实验室研究人员利用大鼠建立了相关模型,并开发出多功能神经修复材料。这一多功能材料包括:有序胶原材料提供神经再生的支架和导向;与胶原蛋白特异结合的基因工程重组人脑源性神经营养因子(CBD-BDNF)提供了神经保护功能;EGF受体抑制剂可减少抑制神经再生信号的作用。通过多种策略的联合应用,营造出适合神经再生的环境。

       据戴建武介绍,在大鼠试验中已经证实,该材料能够有效促进脊髓损伤后神经再生和恢复神经电位的传导。目前,该研究在大动物身上的试验也在进行中。

 自体干细胞:未来最安全的方法

       随着再生医学的发展,干细胞治疗成为当前最热门的研究方向。人体内存在着一定数量的组织干细胞或前体细胞,它们具有多向分化潜能,是参与组织再生和创伤修复的种子细胞。

      目前,干细胞治疗有很多应用。现在流行的美容整形就是其中之一。戴建武认为,未来临床治疗,最安全、方便的应该是利用自体干细胞修复组织损伤。
      如何在组织再生与创伤修复过程中有效利用自体组织干细胞仍是一个亟待解决的问题。

       对此,戴建武表示,最大限度地利用干细胞的思路应该是使用能够吸引和捕捉自体干细胞的胶原材料来参与组织再生。也就是说,大多数组织缺损的干细胞移植是需要载体的。当然,有些时候干细胞移植不需要,例如白血病的治疗等。因而,戴建武实验室确定的一个研究方向就是干细胞载体研究。

       在研究中,实验室研究人员研制出了能捕捉组织干细胞的胶原材料。在小鼠模型上,研究人员利用该胶原材料修补小鼠缺损的心肌组织,证实其能有效捕捉和富集自体组织干细胞,并能有效促进心肌组织再生。目前,戴建武的研究团队正在进行相关的大动物试验,临床应用将会在不远的将来进行。
      除了心肌组织再生外,褥疮病人的组织修复也可采用此类材料。
   自体干细胞修复为人类创伤修复展现了美好的应用前景,或许在不远的将来,再生器官也不再是人类的梦想。
 
 

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