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编号:10273806
人工皮肤体外培养
http://www.100md.com 《生物医学工程学杂志》 2000年第2期
     作者:刘峰

    单位:(第四军医大学 秦都口腔医学院生物学教研室,西安 710032)

    关键词:人工皮肤;体外;细胞培养;创伤修复

    生物医学工程学杂志000226 刘峰 综述 吴军正 审校

    摘要 人工皮肤是指应用组织工程技术将体外培养的上 皮 细胞和成纤维细胞扩增后,接种于一种具有良好生物相容性的材料上,经体外培养,形成 的皮肤。将其移植于皮肤创面处,可以实现创伤的修复和重建。人工皮肤的研究是近年来组 织 工程一个崭新的研究领域,为临床上从根本上解决皮肤缺损的修复提供了良好的前景。本文 分别从上皮体外培养、真皮体外培养及人工皮肤模型的建立、培养方法及其影响因素等方面 对近年来人工皮肤的研究进展进行了综述。

    Artificial Skin Cultured In Vitro
, 百拇医药
    Liu Feng Wu Junzeng

    (Department of Biology, Dental School, Fourth Military Medical Universi ty, Xi'an 710032)

    Abstract Artificial skin is a kind of skin which by using tissue engineering techniques, a skin-like material was formed by seeding epith elium cells and dermis fibroblasts on a good biocompatible material after prolif eration. The trauma restoration and reconstruction were achieved by transplantin g the skin graft an skin defects after the artificial skin graft cultured in v itro. Artificial skin research is a new active field in tissue engineering. It has wonderful prospect for clinics to radically settle the problem of restorati on of skin defects. The recent studies on the models, cultured methods and influ enced factors for epithium culture, dermis culture and artificial skin in vitro were reviewed in this paper.
, 百拇医药
    Key words Artificial skin In vitro Cell culture Defects restoration

    1 皮肤组织工程简介

    皮肤组织工程学是应用组织工程学技术的基本方法,将体外培养的高浓度组织细胞,扩增后 吸附于一种生物相容性良好并可被人体逐步吸收的细胞外基质上,进行人工皮肤构建和移植 。人上皮细胞培养始于1975年,经研究、改进,先后将其应用于临床,获得了一定的成功。 但在创面修复后的上皮组织仍然存在弹性欠佳、耐磨性差、柔软度不足等缺点。近十年,临 床治疗采用离体培养的自体上皮片修复创面已获得了成功[1,2],Bell等将新生儿 包皮中真皮的成纤维细胞与牛Ⅰ型胶原制成基底层,再在其上面接种体外培养的人体表皮 细胞制成人工皮肤,并已证明可在人体创面上移植存活,为皮肤组织工程技术开拓了新思路 [3]

    2 人工上皮的体外模型
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    2.1 人工上皮体外模型的建立

    Green等[4]将表皮细胞放在一层可提供营养物质的经放射处理的NIH/3T3 成纤维细胞上进行体外培养,1 cm2的表皮组织通过体外培养,经过3~5周,可以获得1 0 00 cm2的表此组织[5]。Mahmoud Rouabia等[6 ]建立了一种嵌合式鼠角朊细胞体外细胞混合培养的模型,将同基因鼠角朊细胞和同种异 体鼠角朊细胞按不同比例进行体外混合培养,然后移植于成年鼠背部预制的全厚伤口,设置 物理障碍以阻止宿主上皮长入。同基因鼠角朊细胞和同种异体鼠角朊细胞混合培养的比例达 1∶3时,未发现排斥反应。Toshihiko Suzuki[7]将同基因鼠角朊细胞和同种异 体鼠朊细胞按不同比例进行体外混合培养,然后移植于成年鼠皮下预先埋植的硅盘上,移植 后未发现排斥反应。同基因鼠角朊细胞和同种异体鼠角朊细胞的比例可以高达1∶15。虽然 此种模型没有很好的模拟活体,但提供了角朊细胞混合培养的新思路,利用混合培养,可以 大大缩短移植物体外培养的时间。
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    2.2 人工上皮体外培养的影响因素

    各种生长因子可能对人角朊细胞的增殖、分化有影响。Zeigler等[8]将人鳞状上皮 细胞进行体外培养,用多种生长因子分别进行处理,发现表皮生长因子(EGF)和肝细胞生长 因子(HGF)能够刺激角朊细胞的生长,而胰岛素样生长因子(IGF-Ⅰ)和角朊细胞生长因子(K GF)则无此功能。许多实验结果都证实:小牛血清(FBS)能促进角朊细胞的生长,rhEGF、IGF -Ⅰ、霍乱霉素、氢化可地松和钙离子对角朊细胞的生长和分化有明显的调节作用[5 ,8,9]。Mackenize等[9]研究发现,当表皮细胞与含有活性真皮细胞的组织组 合时,表皮细胞的成熟状况和空间结构与正常组织相似。移植前接种真皮细胞或真皮层重组 ,可以大大促进表皮细胞的存活。Tenchini[10]认为,Ca2+浓度与表皮细胞 体 外培养的多层化密切相关。当Ca2+浓度低至一定浓度时,细胞的分层现象消失。Ca 2+浓度可能与细胞间的连接结构——桥粒的形成有关。小牛血清能促进角朊细胞的增殖 和 多层化,另外,细胞外基质也是角朊细胞的表皮细胞生长分化的重要调节因子,转化生长因 子β1(TGF-β1)能刺激胶原在角朊细胞中的表达,而且,培养中的角朊细胞也产生和释 放旁甲状腺素蛋白(PTHrP),这些蛋白参与了表皮细胞的分化调节[11]。但也有不 同的研究结果,如Sigrid等[12]报导生长因子对猪角朊细胞的增殖、分化没有影响 ,3T3成纤维细胞作为滋养层对猪角朊细胞的促生长作用不如对人角朊细胞大,而各种滋养 层对鼠角朊细胞的生长没有影响。
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    2.3 人工上皮体外培养的方法

    2.3.1 滋养层法 用小鼠成纤维细胞3T3作为角朊细胞的滋养 层的方法是将3T3细胞用60Co照射灭活或丝裂霉素C处理,使之丧失增殖能力后,直接 将表皮细胞接种其上[13]。也可以做一个支架进行立体双层培养,即在支架上安装 尼龙网或胶原网,将角朊细胞接种其上,支架底部为3T3细胞滋养层[14]

    2.3.2 平皿培养法 将自体角朊细胞和同种异体角朊 细胞在平皿中进行体外混合培养,细胞铺满后移到受体创面上。最终,异体角朊细胞被受体 新 生的角朊细胞所替代。但整个过程无明显排斥反应[15,6]。这种方法可以大量 节约自体组织,并可以大大缩短体外培养到临床移植的时间。

    2.3.3 气-液面培养方法 为了更好地模拟活体,用 角朊细胞在接种一定时间后,利用带尼龙网或胶原网的支架将角朊细胞升到气-液面继续培 养,以使角朊细胞完成终末分化[6,7]。这种方法也适用于皮肤组织块的培养,即 先将皮肤块在含生长因子的小牛血清培养液中自由漂浮培养一段时间后,将皮肤组织块放置 在尼龙三脚架支撑的尼龙网上,于气-液面继续培养[14]。气-液面培养方法为目 前人工皮肤体外培养的常用方法。
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    3 人工真皮的体外模型

    3.1 人工真皮的体外模型

    姜笃银等[16]利用异体乳猪真皮经胰酶消化、冷冻处理,在全层皮肤缺损 创面上先移植上真皮,然后在真皮上覆合自体表皮。王旭等[17]利用人的真皮组织 提取胶原溶液冷冻干燥制备成胶原膜,将预先培养的纤维母细胞种植到胶原膜上,进行培养 ,形成人真皮类似物。Sigrid等[12]利用猪椎旁一定厚度的带有一定猎毛囊数量的 真皮进行体外培养,以获取由毛囊根鞘上皮细胞再生的表皮。但在真皮表面要覆盖离体培养 的人包皮细胞,以促使根鞘上皮细胞的再生。

    3.2 人工真皮体外培养的影响因素

    有研究表明,维生素A相关药物维甲酸能够抑制体外培养的成纤维细胞的生长、增殖和阻抑 成纤维细胞DNA的合成[18]。王旭等[17]利用人真皮提取胶原,在胶原溶 液中加入硫酸-6-软骨素C,并用低浓度的戊二醛与胶原分子交联,这种方法可以增加胶原 膜的机械强度,并可使其对体内胶原酶的敏感性降低。
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    3.3 人工真皮体外培养的方法

    用新鲜尸体断层皮制得的立体胶原网作为人工真皮体外培养的骨架,已取得了良好成效 [19]。在具有可降解性的聚乙醇酸(PGA)织网上培养人胎儿真皮成纤维细胞,也是一种 颇有发展前景的真皮体外细胞培养途径[20]

    4 人工皮肤体外模型

    4.1 人工皮肤体外模型的建立

    利用复合皮(Composite skin,CS)弹性好、耐磨、抗挛缩和外观质地近似正常皮肤等优点, 姜笃银等[16]选择经酶处理的冷冻异体乳猪真皮加自体表皮形成重组CS移植物,实 验证明复合移植皮片的存活率不低于自体表皮组,且无明显排斥反应。王旭等[17] 直接在胶原膜的两面分别种植表皮细胞和成纤维细胞,经培养形成纤维母细胞-胶原膜-表 皮细胞夹心式人工复合皮,该复合皮具有一定的机械强度和柔韧性,不易碎裂,便于手术操 作。将其异体移植于临床患者,未发现明显排斥现象,移植存活率为70%。马刚等[21 ]建立了体外复合培养人工皮肤的模型,即先将鼠成纤维细胞植入Ⅰ型胶原网上,培养一 段时间后,将胶原网反转180°,在其另一面种植鼠角朊细胞。培养4周表皮即具有完整的角 质层、颗粒层、棘细胞层和基底层,真皮网状结构不明显。培养第6周,其结构与正常鼠皮 肤相似。Valle等[22]设计了一种双层皮肤细胞培养模型,即将立体胶原网和人体 活细胞组成三维结构的双层皮肤替代物,移植于人体创面上,效果很好,但此法需要同时使 用自体的上皮和真皮细胞活组织标本。
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    4.2 人工皮肤存活能力的影响因素

    近年来大量研究表明,使用新生儿或胎儿组织细胞具有以下优点:(1)能 生长和增殖;(2)能进行组织细胞分化,即内在可塑性;(3)能产生多种生长因子(如TGF,HGF,EGF等);(4)与 成年组织比较,细胞抗原性低;(5)细胞外基质富含透明质酸(HA)和Ⅲ型 胶原等[21]。当rhEGF浓度在10 μg/L以内时,对体外培养全厚皮皮片有明显的 促进生长作用,而且受 体的年龄越小,人工皮肤越容易存活;健康状况越好,人工皮片的存活率越高[23]

    4.3 人工皮肤的移植

    由于纤维母细胞可以冷冻保持和生长,Hansborough[24]将其先移植于全层皮肤组 织缺损创面上,然后再将培养的上皮细胞接种到纤维母细胞上,未见排斥反应。也有报道将 体外培养的异种组织块覆盖于受体创面上,组织块最终被受体组织替代,起到敷料的作用, 对创面有保护作用。人工复合皮能够促进创面及早愈合,一次手术即可使创面得到永久性修 复[21]
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    5 体外培养对表皮细胞抗原性的影响

    许多临床及组织学观察结果表明,表皮细胞经体外培养后不但HLA-Ⅱ类抗原阳性的Langerh ans细胞消失,而且其它一些与移植排斥反应有关的抗原的表达亦明显减弱,异体移植不引 起速发明显的排斥反应,但移植后可引起延迟排斥反应[25]。培养表皮细胞同种异 体移植后存活延长的机制目前尚未完全清楚。Steven[11]也认为异体角朊细胞被自 体角朊细胞替代,并不引起明显的T细胞所介导的移植排斥反应,可能因为在角朊细胞离体 培养中,HLA-DR抗原中很丰富的朗格罕细胞不能存活有关。

    6 黏膜组织工程

    黏膜组织工程是应用体外组织培养技术,将黏膜表皮细胞进行分离、培养,最终形成一定大 小的膜片状黏膜上皮,通过外科植皮方法修复黏膜缺损或功能不全[26]。黏膜上皮 细胞的离体培养方法、黏膜上皮片的移植方法与人工皮肤相同。黏膜上皮细胞的增殖、分化 能力同皮肤上皮细胞一样也受各种生长因子、血清浓度和Ca离子浓度等的影响。
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    7 展 望

    组织工程化皮肤已进入临床实验阶段,体外培养的人工皮肤能够象正常皮肤一样覆盖在开放 性伤口上,实现创面永久修复。人工皮肤的研究及产品的开发和应用,将给烧伤、大面积溃 疡及皮肤缺损患者在临床的治疗带来福音。然而,人工皮肤移植目前还存在一些问题有待解 决。其一,人工皮肤的机械性能还尚需进一步改善。其二,体外培养人工皮肤的时间过长, 限制了在临床的广泛应用。另外,如果能够建立人工皮肤库,解决好人工皮肤的长期储存问 题,则人工皮肤在临床将有极好的应用前景。

    吴军正(第四军医大学 秦都口腔医学院生物学教研室,西安 710032)

    参考文献

    1,Rheinwald JG, Green H. Epidermal growth factor and the m ultiplication of cultured human epidermal keratinocytes. Nature,1977;265∶421
, 百拇医药
    2,Watt FM, Greenn H. Stratification and terminal differentiation of cultured epidermal cells. Nature, 1982;295∶434

    3,Bell E, Ehrlich HP, Buttle DJ et al.Living tissue formed in vitro and accepted as skin equivalent tissue of full-thickness. Science,1981,21 1∶1052

    4,Green H, Kehinde O, Thomas J. Growth of cultured human epidermal cells into multiple epithelia suitable for grafting. Proc Natl Acad Sci USA,1979 ;76∶5665
, http://www.100md.com
    5,Phillips TJ, Bhawan J, Leigh IM et al.Cultured epidermal aut ografts and allografts:a study of differentiation and allograft survival. J AM A cad Dermatol,1990;23∶189

    6,Mahmoud Rouabia, Lucie Germain, Julie Bergeron. Allogeneic-synge neic cultured epithelia. Transpliantation,1995;59(9)∶1299

    7,Toshihiko Suzuki, Kenji Ui, Nobuyuki Shioya et al.Mixed cult ures comprising syngeneic and allogeneic mouse keratinocytes as a graftable skin substitute. Transplantation,1995;59(9)∶1236
, 百拇医药
    8,Zeigler ME, Kause S, Karmiol S. Growth factor-induced epidermal invasion of the dermis in human skin organ culture:dermal invasion correlate d with epithelial cell motility. Invasion metastasis,1996;16(1)∶3

    9,Mackenize IC, Fusenig NE. Regeneration of organized epithelial st ructure. J Invest Derma, 1983;81(suppl)∶189

    10,Tenchini ML. Ranzati C, Malcovati M. Culture techniques for hum an keratinocyte. Burns,1992;18∶11
, 百拇医药
    11,Steven T. Boyce. Epidermis as a secretory tissue. J Invest Derma , 1994;102(1)∶8

    12,Sigrid Regauer, Carolyn Compton. Cultured porcine epithelial gra fts:An improved method. Invest-Derma,1990;94(2)∶230

    13,Barrandon Y, Li V, Green H:New techniques for grafting of cultur ed human epidermal cells onto athymic animals. J Invest Derma, 1988;91∶315

    14,Stephen J, Annette W, Evelyn B et al.A full differentiating epidermal model with extended viability:Development and partial characterization . J Invest Derma,1989;93(6)∶762
, http://www.100md.com
    15,Toshihiko S, Kenji V, Nobuyuki S et al.Mixed cultured compr ising syngeneic and allogeneic mouse keratinocytes as a graftable skin substitu te. Transplantation,1995;59(9)∶1236

    16,姜笃银,陈 璧,汤朝武等.复合皮肤移植实验猪动物模型的建立.第四军 医大学学报,1996;17(6)∶452

    17,王 旭,吴 东,王甲汉等.复合皮覆盖烧伤创面的实验研究.第三军医大 学学报,1996;18(3)∶191

    18,宋维铭,管正玉,孙广慈.维甲酸对体外培养成纤维细胞超微结构的影响. 中华整形烧伤外科杂志,1996,12(1)∶6

    19,Eugene B, Stephanie S, Barbara H et al.The reconstitution o f living skin. J Invest Derma, 1983;81(1)∶2s~10s
, 百拇医药
    20,Council on Scientific Affairs and Council on Ethical and Judicia l Affairs. Medical application of fetal tissue transplantation. JAMA,1990;263(4) ∶565

    21,马 刚,杨同书,颜炜群等.复合人工皮肤的制备.中华皮肤科杂志,1998 ;31(2)∶121

    22,Valle CA, Germain L, Rouabhia M et al.Grafting on nude mice of living skin equivalents produced using human collagens. Transplant 1996;62∶ 317

    23,孙立柱,吴志谷,周宝桐.重组人表皮生长因子对皮片体外培养生长的影 响.中华整形烧伤科杂志,1998;12(6)∶431
, http://www.100md.com
    24,Hansborough JF, Ccooper ML, Cohen R et al.Evaluation of a b iodegradable matrix containing cultured human fibroblasts as a dermal replacemen t beneath meshed skin grafts on athymic mice. Surgery,1992;111∶438

    25,赵阳兵,赵雄飞,路淑珍.培养人表皮细胞及其异体移植后血型ABH抗原变 化的观察.中华整形烧伤外科杂志,1993;9(1)∶34

    26,Raghoebar GM, Tomson AM, Scholma J et al.Use of cultured mu cosal grafts to cover defects by vestibuloplasty:An in vivo study. J Oral Maxill ofac Surg,1995;53(5)∶872

    (收稿:1998-10-12), 百拇医药