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      功能生物材料:為創傷修復提供“備用件”
      發布時間:2013/6/9 閱讀:487

      在日常生活中,交通事故、手術治療等都可能會給人體帶來創傷和組織缺損。修復創傷、組織再生甚至器官再生一直是生物領域科學家努力攻克的難題。
            在第十一屆北京生命科學領域學術年會上,中科院遺傳與發育生物學所研究員戴建武作了題為《生物材料、干細胞與組織再生》的報告。這份報告介紹了他的多項研究工作,令人對創傷修復領域的進展感到振奮。

       膠原膜:引導組織再生

             再生醫學、組織工程中經常會提到“支架”這個名詞。它在創傷修復中起什么作用?戴建武用了一個通俗的比喻來解釋:就像蓋房子一樣,要先搭好架子,之后才能在上面添磚加瓦。對于組織工程來說,支架提供了一個有利于細胞黏附、增殖、分化及組織再生的環境。

             用來做支架的生物材料有很多種,包括天然生物材料、合成有機高分子材料等。戴建武實驗室主要關注天然生物材料中的膠原蛋白。

             談及選擇膠原蛋白的原因,戴建武表示主要有兩點:一是它的來源很廣泛,牛、豬等動物皮膚、肌腱上蛋白總量大部分都是膠原,以牛的肌腱來說,其總蛋白中85%都是膠原蛋白;二是它是一種結構蛋白,并且動物的與人的相似度非常高,都是細胞外基質的主要成分。

             在戴建武的實驗室里,《科學時報》記者見到了兩種膠原膜材料:一種是膠原海綿,其主要用途是止血。另一種是可以用于縫合的膠原膜,它具有一定的力學強度。

             關于膠原海綿的應用,戴建武介紹了他的研究團隊曾經研制膠原顆粒用于戰傷如刺刀、子彈等貫通傷的治療。在這項研究中,研究人員將膠原制成顆粒狀,可以直接用于深度創面的處理。膠原具有很好的凝血作用,在止血的同時可以促進組織再生。

             而可用于縫合的膠原膜材料,其用途更為廣泛,在人體內降解速度較慢。目前,臨床應用中,疝氣病人的治療過程中就可以使用這種材料。由于疝氣病人腹壁肌缺損,可使用這種具有一定力學強度的膠原膜來填補。由于這種膠原膜沒有使用任何化學交聯劑,所以在體內的降解速度與再生同步,可以非常有效地引導組織再生。動物實驗證明其可以引導腹壁肌的再生。煙臺正海生物技術有限公司已將這種膠原膜研制出三個國家藥品食品監督管理局批準生產的再生醫學產品,分別用于口腔組織損傷修復,皮膚損傷修復和硬腦膜缺損修復。已將用于三萬多組織損傷病人,證明其有良好的組織再生引導作用。

            戴建武介紹,這兩種膠原蛋白材料對于組織的再生具有引導作用。對于修復比較快的組織例如皮膚組織,使用支架就可以滿足人體對再生速度的要求了。

       結合生長因子的功能材料:主動加速生長

             實際上,人體內有些組織與皮膚組織不同,其修復是需要加快再生速度的。上面提到的這兩種膠原膜材料只具有引導作用,并不具有生物活性誘導作用。如果要達到加快組織再生和創傷修復的目的,就需要另外一個因素——生長因子。生長因子可以大大加速創傷修復的速度,在創傷修復過程中發揮著重要作用。

             戴建武告訴記者,膠原材料與生長因子可以相輔相成地促進和提高創傷組織的修復速度和質量。因此,膠原材料與生長因子相結合構成的功能材料在創傷修復領域越來越顯示出獨特的優越性能。這種結合生長因子的功能材料不像單純的膠原材料只是被動地引導創傷組織修復,而是一種能主動對機體的理化或生理過程產生影響的生物活性材料。

             戴建武的實驗室提出了獨特的以膠原蛋白為基質結合生長因子的功能生物材料。這一材料與傳統上制作的功能材料具有很大的差異。

             傳統上,研究人員在做功能材料時,只是將生長因子與生物材料簡單混合。當把這種材料移植到人體內,由于體液的作用,造成生長因子的自由擴散,會導致三方面不利因素:一是要達到修復效果,需要增加生長因子用量,提高成本;二是過量使用生長因子可能會有副作用;三是由于生長因子擴散可能導致材料周邊組織生長不均勻。

             戴建武及其研究團隊通過基因工程,使生長因子與膠原蛋白特異結合,成為膠原結合體,構成獨特的功能系統,能夠達到局部富集高濃度的目的,使材料用量減少且組織再生均勻。

             該團隊開發的骨修復材料就是這種功能材料,是由含膠原的骨材料和能與膠原結合的人骨形態發生蛋白(BMP-2)復合而成。BMP-2是現今發現的骨形態發生蛋白家族成員中誘骨作用最為明顯、研究得最為深入細致的骨生長因子。

             該團隊研究人員采用基因工程技術,使BMP-2與膠原蛋白特異結合,移植到人體后,在較長時間內能夠保留在生物材料上,能定向引導骨組織再生和有效修復缺損的骨組織,從而獲得優異的骨修復效果,具有超越目前市場上活性骨材料的優勢。該技術擁有自主知識產權。目前,這一新型骨修復產品正在國家藥監局進行檢測,計劃于明年完成臨床前試驗。這一創新性的工作是中科院知識創新工程重要方向性項目,也是產學研結合較好的一項工作。

             談起這一技術的未來前景,戴建武表示,由于骨折、創傷、腫瘤切除等導致的骨缺損是臨床上很常見的問題,骨修復市場需求巨大。這一技術實現產業化后,將帶來巨大的經濟效益和社會效益。

             類似的應用還包括脊髓損傷修復,它是臨床上常見的嚴重中樞神經損傷。實際上,神經損傷與皮膚損傷具有很大的差異性。神經一旦損傷,將會形成抵制神經再生的環境,因而是現代醫學的重要難題。

             為了解決這一難題,實驗室研究人員利用大鼠建立了相關模型,并開發出多功能神經修復材料。這一多功能材料包括:有序膠原材料提供神經再生的支架和導向;與膠原蛋白特異結合的基因工程重組人腦源性神經營養因子(CBD-BDNF)提供了神經保護功能;EGF受體抑制劑可減少抑制神經再生信號的作用。通過多種策略的聯合應用,營造出適合神經再生的環境。

             據戴建武介紹,在大鼠試驗中已經證實,該材料能夠有效促進脊髓損傷后神經再生和恢復神經電位的傳導。目前,該研究在大動物身上的試驗也在進行中。

       自體干細胞:未來最安全的方法

             隨著再生醫學的發展,干細胞治療成為當前最熱門的研究方向。人體內存在著一定數量的組織干細胞或前體細胞,它們具有多向分化潛能,是參與組織再生和創傷修復的種子細胞。

            目前,干細胞治療有很多應用。現在流行的美容整形就是其中之一。戴建武認為,未來臨床治療,最安全、方便的應該是利用自體干細胞修復組織損傷。
            如何在組織再生與創傷修復過程中有效利用自體組織干細胞仍是一個亟待解決的問題。

             對此,戴建武表示,最大限度地利用干細胞的思路應該是使用能夠吸引和捕捉自體干細胞的膠原材料來參與組織再生。也就是說,大多數組織缺損的干細胞移植是需要載體的。當然,有些時候干細胞移植不需要,例如白血病的治療等。因而,戴建武實驗室確定的一個研究方向就是干細胞載體研究。

             在研究中,實驗室研究人員研制出了能捕捉組織干細胞的膠原材料。在小鼠模型上,研究人員利用該膠原材料修補小鼠缺損的心肌組織,證實其能有效捕捉和富集自體組織干細胞,并能有效促進心肌組織再生。目前,戴建武的研究團隊正在進行相關的大動物試驗,臨床應用將會在不遠的將來進行。
            除了心肌組織再生外,褥瘡病人的組織修復也可采用此類材料。
         自體干細胞修復為人類創傷修復展現了美好的應用前景,或許在不遠的將來,再生器官也不再是人類的夢想。
       
       

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