生物复合材料促进子宫内膜再生的研究进展
发布时间：2021-07-05
【摘要】宫腔粘连(intrauterineadhesion，IUA)是由子宫内膜损伤引起的纤维化修复障碍，并可能伴有月经异常并导致不孕。目前主流的临床治疗存在不同程度的局限性，如手术造成机械损伤和高炎症状态可能会进一步加重纤维化严重程度和带来不良妊娠结局，还有局部药物治疗和干细胞治疗存在低滞留率，导致促子宫内膜再生效果不佳。组织工程促进子宫内膜再生是一种新颖而有前景的思路，利用生物相容性材料作为载体将药物或干细胞等递呈到子宫腔中缓慢释放获得良好的治疗效果。其中，生物复合材料在治疗IUA方面的报道较少，但效果显著。现对生物复合材料这个组织工程方案治疗促进子宫内膜再生进行综述，以供参考。
【关键词】组织黏连;子宫;子宫内膜;再生;生物相容性材料;支架;组织工程
宫腔粘连(intrauterineadhesion，IUA)是子宫内膜基底层部分或全部受损出现的纤维化病理改变，在20世纪中叶，Asherman进一步将妊娠后发生的宫腔粘连命名为Asherman综合征以此区分无症状的IUA。IUA可出现月经异常(闭经或月经少)、不孕、骨盆异常疼痛、反复流产和各种产科并发症的临床表现[1]。目前临床治疗IUA的方法效果不满意，例如宫腔镜粘连松解术的复发率高[2]、激素治疗目前尚难确定合适的给药剂量、给药途径和给药时间[3-5]、宫内节育器几乎不能诱导内膜再生[6]、干细胞移植面临低滞留率的挑战等[7]。
组织工程学是一门应用生命科学和工程学的原理和方法，综合细胞生物学、材料学等多学科去认识人或动物的正常和病态组织的结构和功能关系，设计、改良和培育活组织，研制生物替代品以修复和重建器官的结构，维持和改善器官功能的新兴交叉学科[8]。治疗性生物医用材料通过植入活体系统或与之结合的方式修复和增强其功能或直接替代人体器官或组织，现成为该领域的热门研究方向之一[9]。其中，由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料有着良好的生物相容性和优越的理化特性，能够弥补单一生物医学材料在应用过程中的局限性，甚至开发新的生物学性能，满足机体结构和功能恢复的不同要求[10]。最近生物复合材料在促进子宫内膜再生上表现出了极大的潜力[11]。本文将对负载不同治疗策略的生物复合材料及其性能特点和治疗效果进行详细综述。
1生物复合材料的性能和特点
1.1天然聚合物复合支架透明质酸(hyaluronicacid，HA)是一种亲水性的糖胺聚糖，作为一种分布广泛的细胞外基质(extracellularmatrix，ECM)成分，其对许多细胞和组织功能至关重要[12]。通过自动交联技术将线性HA分子制成具有稳定的三维网络构架的水凝胶，用于预防IUA形成[13]。除此之外，HA水凝胶也可以作为靶向输送或包裹细胞的载体用于新型生物医学材料的开发，其可结合不同的生物医学材料如纤维蛋白，提高其促进子宫内膜再生的效果。纤维蛋白具有支持细胞生长、迁移、增殖和干细胞分化的能力，Kim等[14]揭示了包裹蜕膜化子宫间质细胞(decidualizedendometrialstromalcells，dEMSCs)的HA水凝胶结合纤维蛋白原/凝血酶明显促进dEMSCs对子宫内膜损伤的再生作用。通过设置浓度梯度，他们发现添加50mIU/mL凝血酶提高了这种复合水凝胶的综合性能。在后续IUA小鼠模型的治疗中，添加50mIU/mL凝血酶的复合水凝胶促进子宫内膜再生和生育功能恢复的能力要比其他治疗组更强，其细胞间黏附分子、新生血管形成、胚胎着床标记物表达明显高于只使用HA水凝胶治疗组(P<0.01)。
以纤维素为原材料制成凝胶或薄膜可用于预防腹腔镜或宫腔镜术后粘连的形成，但致密的网络结构导致孔径不够大，不允许细胞或药物迁移，所以限制了其在再生医学上的发展[15]。添加其他生物医学材料改变孔径可以扩展纤维素应用范围，如结合丝素蛋白促进其与细胞膜整合素受体结合提高黏附性，且具备更佳的力学性能和生物学相容性[16]。Cai等[17]将重组人基质细胞衍生因子1α(recombinanthumanstromalcell-derivedfactor-1α，rhSDF-1α)掺入丝素蛋白-细菌纤维素膜中，发现复合膜明显延长rhSDF-1α作用，在体外促进子宫内膜细胞迁移，体内增加子宫内膜厚度并改善了受损子宫的妊娠结局。
壳聚糖是一种易溶解于相对酸性溶液的天然多糖，具有生物相容性、生物降解性、无毒和抗菌活性等多种特性。且壳聚糖可以通过静电相互作用、疏水相互作用、氢键和范德华力一起自组装成纳米结构，也很容易地通过其氨基进行化学修饰，以获得所需的特性[18]。为了提高壳聚糖的生物活性作用，添加碱性肝素溶液促进壳聚糖凝胶化，提高其与生长因子的亲和力。于是，Wenbo等[19]制备肝素-壳聚糖水凝胶用于输送SDF-1α，该凝胶孔径300～600nm，可用于小分子承载和运输，且对于损伤的子宫内膜的治疗效果显著，使用SDF-1α水凝胶7d后，小鼠的子宫内膜形态和功能接近正常。
明胶甲基丙烯酰基(gelatinmethacryloyl，GelMA)水凝胶由甲基丙烯酰基取代基与胶原降解产物明胶结合而成，其中明胶含有许多促进细胞黏附和基质金属蛋白酶靶序列，甲基丙烯酰基取代基可使明胶在光引发剂的辅助下进行光交联形成共价凝胶[20]。Cai等[21]设计一种利用海藻酸钠和GelMA制成的开放式多孔载药支架，为碱性成纤维生长因子(basicfibroblastgrowthfactor，bFGF)的释放开辟了一条新的途径。独特的复合材料赋予支架灵活的变形能力，特别是他们采用微流控法制备单分散液滴模板，可调节孔隙直径精确控制药物流速，促进了bFGF的稳定释放。该支架成功促进新生血管的形成、细胞增殖和子宫内膜修复，后期还需要进行生育功能试验以探究其长期效果。
1.2人工合成聚合物复合支架泊洛沙姆属于一类独特的合成三嵌段共聚物，在低浓度下形成胶束溶液，在高浓度下形成透明的热可逆水凝胶，形成凝胶后减少对细胞的不必要损伤[22]。因为具有良好的生物相容性和机械性能，使其在药物靶向输送和组织工程上有很大应用前景[23]。不过，纯泊洛沙姆对细胞因子的亲和力较差，肝素常用来增强泊洛沙姆对其他组分的亲和力。Zhang等[24-25]将17β-雌二醇(E2)包裹在肝素-泊洛沙姆(heparin-poloxamer，HP)水凝胶中制成缓释系统，其能够使E2持久缓慢释放，通过一定信号途径抑制细胞凋亡，促进子宫内膜结构和功能恢复。除递送雌激素外，Xu等[26-27]发现角化细胞生长因子(keratinocytegrowthfactor，KGF)修饰的HP水凝胶可能通过增强细胞自噬，促进IUA后子宫内膜上皮细胞增殖和血管生成。KGF-HP体外逆转细胞损伤，体内促进子宫内膜恢复到正常形态，随后研究者又发现加入90μg/mL的ε-聚赖氨酸可在体外提高水凝胶黏附力和加速释放生长因子。
相关期刊推荐：《现代妇产科进展》杂志，本刊以报道国内外妇产科学的最新进展为宗旨，刊发临床、科研、手术创新、经验交流、疑难病例讨论等各层次学术论文。2004年起紧密结合临床推出权威、实用的“临床热点问题讨论”栏目。
脱细胞化和再细胞化技术通过理化和生物酶法去除组织和(或)器官中的细胞成分，保留其细胞外完整的三维结构和功能性蛋白，在体外或体内诱导细胞增殖和定向分化[28]。由上述技术制备的脱细胞基质支架可以结合其他生物医学材料形成复合材料用于局部组织修复。通过一定处理后，源于原生微环境的特定生化信号、基质分子和血管网络得以保留，有利于细胞黏附以及诱导不同的细胞行为[29]。最近，Yao等[30]将天然芦荟提取物、泊洛沙姆与脱细胞子宫衍生纳米粒混合制成一种纳米水凝胶支架，在三者协同作用下，细胞活性显著提高，损伤区域再生和恢复能力更强。Chen等[31]将体外脱细胞获得羊膜细胞外基质结合聚乳酸-乙醇酸(polylactic-co-glycolicacid，PLGA)微球包裹雌激素治疗IUA，结果显示雌激素在该微球中分散良好，植入后能够持续释放21d。治疗后子宫内膜细胞增殖和生长因子表达，后期还需要动物实验去验证这一全新支架的体内再生效果。
聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷共聚物(PF-127)是一种经美国食品和药物管理局(FDA)批准的合成化合物，其在室温下的水基质中为液体，但在生理温度下可形成水凝胶。为了避免PF-127对细胞存活和增殖产生负面影响，Yang等[32]向PF-127水凝胶中添加膜稳定剂维生素C成功促进了PF-127包埋的骨髓间充质干细胞在体外存活和生长，移植后子宫内膜得到更好的恢复。这项研究打破了PF-127水凝胶在包封细胞的局限性，使合成生物医学材料的应用更加广泛。
总之，天然聚合物具备良好的生物相容性和生物降解性，但其自然结构对于设计不同功能要求的支架可能存在一定局限性，未来有待开发新颖的复合材料以及设计合适的工艺和不同修饰方式来满足子宫内膜的结构和功能要求。合成聚合物具有更可控的标准化质量，而且设计思路也更加广泛，但需注意异物对于细胞和微环境的不利影响，未来还要评估其对于炎症免疫调节机制的影响，从而促进复合生物支架从基础向临床转化。生物复合材料弥补单一材料的劣势，增强单一材料优势，因此寻找最合适的材料组合是未来组织工程创新的一个重要方向[33]。
2复合支架搭载的治疗策略
子宫内膜修复机制复杂，不仅涉及细胞增殖和分化为相应功能细胞，而且还受分泌到子宫内膜微环境的免疫调节因子、生长因子、周期性激素的影响[34]。设计新颖的复合生物支架，关键目的还是在于提高细胞接种密度，促进细胞增殖分化为功能性子宫内膜细胞，提高激素、药物和生物活性因子促再生作用。目前，促进子宫内膜再生的干细胞来源广泛，包括骨髓间充质细胞、骨髓单核细胞、脐带来源的干细胞、脂肪来源的干细胞、经血来源干细胞和子宫内膜周围血管细胞等[35]。有利于子宫内膜再生或促进胚胎着床的生长因子种类也是多种多样，如血管内皮生长因子、碱性成纤维生长因子和白血病抑制因子等。然而任何旨在模拟自然生物过程关键方面的治疗不应只局限于提供单一的微环境信息，研究人员尝试提取高效生物制剂或利用组织工程技术中整合多种生长因子或者传递基因[36-37]，按照优化的比例和特定的时空模式释放复合治疗制剂。例如，自体富血小板血浆(plateletrichplasma，PRP)能够为损伤子宫内膜提供丰富的活性生物分子，为细胞生长调节适合的局部微环境[38]。细胞外囊泡(或外泌体)作为天然纳米载体是细胞间通讯的重要中介，为微环境提供丰富的营养因子和信号分子，如细胞因子、脂质体、核酸、微小RNA(miRNA)[39]。这些天然复合物有着更高的生物利用度和最小化不良反应的优点，结合生物材料有望成为新一代替代治疗。
3结语与展望
组织工程为促进子宫内膜再生提供了众多新颖的治疗尝试，目前仍处于起步阶段。利用工程学和生物学原理设计合适的生物复合材料，克服单一生物医学材料的不足，强调多种生物医学材料的协同增强作用，旨在获得更多功能去适应更加复杂的人体微环境。如果通过基础和临床试验充分验证后可加速生物复合材料在临床疾病上的应用，这将大大推进再生医学和转化医学的发展。同时，对于提高患者治疗满意度、降低医疗成本和推动经济均衡发展有着重要的意义。另外，生物复合材料负载的治疗策略也是医学研究领域的一个重要方向，研究人员正在突破单一干细胞和生长因子治疗存在的局限性，朝着保留原生内环境信息的高效生物制剂的方向发展，如自体PRP、脱细胞复合物和干细胞外泌体等。综上所述，组织工程可能是治疗难治性子宫内膜纤维化或薄性子宫的合理方法，但这些不同的子宫内膜再生技术方法各有利弊，尤其对于IUA患者的长期安全性和有效性还需要更多的研究。——论文作者：李文竹，徐步芳△
