引用本文: 魯峰, 常強, 詹煒卿, 黎小間. 血管基質片段促進體內組織工程室血管和組織新生的初步研究. 中國修復重建外科雜志, 2014, 28(5): 644-648. doi: 10.7507/1002-1892.20140142 復制
目前臨床上對于軟組織缺損多采用皮瓣或皮下組織瓣移位修復,均存在繼發供區創傷以及皮瓣遠期發生萎縮、壞死導致修復后形態達不到預期效果等不足[1-2]。1999年,Patrick等[3]利用組織工程技術成功構建成熟脂肪組織,但因組織工程脂肪中缺少固有血管,早期缺乏血管化,種子細胞大量死亡,無法滿足臨床軟組織缺損修復的需求[4]。2003年,Hofer等[5]在大鼠體內將1條股動靜脈環路植入穹窿樣硅膠小室中,8周后得到約1 mL富血管化新生成熟結締組織。由硅膠小室形成的局部空間能為內部組織生長提供所需的軸形血管基礎和營養物質,這種新型技術稱為“血管化的組織工程室技術”[6]。該技術成功解決了傳統組織工程模型早期缺乏血管化的問題,但Hofer等[5]獲得的新生結締組織結構中無成熟脂肪組織形成。
血管基質片段(stromal vascular fraction,SVF)來源于成熟脂肪組織,是一組異質性的細胞群體,含有脂肪來源干細胞(adipose-derived stem cells,ADSCs)、內皮祖細胞(endothelial progenitor cells,EPCs)、造血干細胞(hematopoietic stem cells,HPCs)等[7]。有研究報道SVF體外貼壁培養獲得的ADSCs,在不同誘導環境下能夠分化成骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞等[8];并且體內外實驗均表明SVF能分泌大量促血管生長因子,同時能分化成內皮細胞參與血管出芽[9-11]。本實驗以兔胸背動靜脈束為軸形血管蒂,在硅膠小室內形成富血管化的封閉環境,并注入自體SVF,觀察其在血供充足的情況下能否自主分化為脂肪細胞,為下一步研究提供實驗依據。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要試劑、儀器
健康6月齡新西蘭大白兔24只,雌雄不限,體重2.5~2.8 kg,由南方醫科大學實驗動物中心提供。圓柱形中空硅膠小室,長2.2 cm、內徑0.8 cm (上海威寧整形制品有限公司)。兔皮膚來源的Ⅰ型膠原支架、DiI熒光染色劑(Sigma-Aldrich公司,美國);小鼠抗兔CD31單克隆一抗、FITC標記的羊抗小鼠二抗 (Abcam 公司,英國)。熒光顯微鏡(Nikon公司,日本)。
1.2 實驗方法
1.2.1 兔SVF分離及DiI標記
取新西蘭大白兔,耳緣靜脈注射3%戊巴比妥鈉(35 mg/kg)麻醉后,完整切取頸背部脂肪墊。PBS徹底沖洗,剪除非脂肪組織。將脂肪墊剪成約1 mm × 1 mm × 1 mm的組織塊,等比例加入0.25%Ⅰ型膠原酶,37℃恒溫搖床消化30 min,期間反復震蕩混勻2~3 次;等體積培養基(含兔血清及1%青、鏈霉素的H-DMEM)中和,200目篩網過濾;以1 200 × g離心 5 min,去上清;1 mL培養基混懸沉淀,加入6倍體積紅細胞裂解液,混勻后室溫下孵育8 min,以1 200 × g離心 5 min,去上清;以1 mL培養基重懸沉淀,獲得新鮮分離的SVF懸液。紅細胞計數板計數SVF細胞數,每1 ×106個細胞加入5 μL DiI應用液,37℃下孵育20 min,1 500 × g 離心5 min,PBS清洗后以1 500 × g 離心5 min,重復2次,加入10%DMEM培養基中,熒光顯微鏡下觀察見DiI染色陽性的SVF細胞呈圓形,胞內呈橙紅色熒光(圖 1)。

1.2.2 動物模型制備及分組
取24只新西蘭大白兔,同上法麻醉后,頸背部脫毛,暴露大小為10 cm × 5 cm的術區。沿正中線作6 cm長縱切口,向兩側鈍性分離,暴露肩胛骨上方背闊肌,肌肉表面自腋下肩胛下動脈發出的血管束即為胸背動脈及其伴行的胸背靜脈。自動靜脈束遠端分叉處2 mm向近端仔細剝離長2.5 cm的血管束,5-0手術絲線結扎血管束遠端,切斷結扎線之間血管束,用Ⅰ型膠原支架以三明治夾心方式包裹后,植入圓柱形中空硅膠小室,血管束游離遠端固定于鄰近組織,保持血管束松緊適宜。3-0不可吸收絲線固定小室及血管束于肌肉組織上,小室兩端用骨蠟封口(圖 2)。
模型制備后將實驗動物隨機分為實驗組及對照組,每組12只。術后2周,實驗組采用注射器將1 mL 標記的SVF細胞懸液(1 ×106個/mL)注入圓柱形中空硅膠小室內;對照組注射等量生理鹽水。于注射后2、4周每組分別取6只動物進行觀測。
1.3 觀測指標
1.3.1 大體觀察
術后觀察兩組實驗動物存活情況。注射后2、4周同上法麻醉實驗動物后,按原切口入路,切開圓柱形中空硅膠小室植入區,大體觀察小室內新生組織情況,室溫下將新生組織置于生理鹽水中測量體積,精確至0.01 mL。
1.3.2 組織學觀察
大體觀察后取新生組織,中線縱行切開,一半置于4%多聚甲醛中固定48 h后,梯度乙醇脫水,二甲苯透明,石蠟包埋,切片,片厚5 μm,常規行HE染色。光鏡下觀察新生組織類型,20倍鏡下每張切片隨機取20個視野計數新生血管數目,以血管總數進行比較。
1.3.3 免疫熒光染色鑒定內皮細胞
取注射后4周實驗組剩余新生組織加入OCT冰凍包埋液,冰凍10 min后切片,片厚50 μm,山羊血清封閉后加入小鼠抗兔CD31單克隆抗體(1∶100)4℃孵育過夜,沖洗后加入FITC標記的羊抗小鼠二抗(1∶50)避光孵育4 h,沖洗后甘油封片,熒光顯微鏡下觀察鑒定內皮細胞。
1.4 統計學方法
采用SPSS13.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示,組間比較采用獨立樣本t檢驗,組內兩時間點間比較采用配對t檢驗;檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 大體觀察
兩組動物在觀察期間均未出現感染、死亡,切口愈合良好。
注射后2周,兩組切開皮膚可見術區圓柱形中空硅膠小室外有明顯透明薄層包膜形成;切開小室,其內有少許清亮液體,呈淡黃色,未見明顯懸浮物,新生組織基本充滿小室,新生組織與小室內壁間有少許粘連,易分離;新生組織呈圓柱狀,表面光滑,紅白相間,肉眼可見明顯血管網絡分布以及未完全降解的Ⅰ型膠原支架。其中實驗組新生組織中支架結構塌陷,與組織結合緊密,未見明顯分界;對照組支架輪廓較清晰,與組織間有分界。見圖 3 a、b。
注射后4周,兩組切開皮膚可見圓柱形中空硅膠小室外包膜增厚,紅白相間,略透明;切開小室,有極少量透亮液體,未見明顯懸浮組織,新生組織充滿小室,呈圓柱形,與小室形態相似;新生組織表面可見光亮包膜形成,組織觸之較韌,肉眼可見明顯血管分布,較2 周形狀規則,體積均有減小。實驗組新生組織顏色較2 周時明顯變白,未見支架殘留;對照組新生組織表面呈紅色,有少許絮狀支架殘留。見圖 3 c、d。
注射后2周實驗組新生組織體積為(0.87 ± 0.11) mL,大于對照組的(0.72 ± 0.08)mL,比較差異有統計學意義(t=2.701,P=0.011)。4周時兩組新生組織形狀無明顯改變,體積均縮小,實驗組及對照組分別為(0.74 ± 0.14)、(0.64 ± 0.10) mL,但與組內2周時比較差異均無統計學意義(t=1.789,P=0.104;t=1.530,P=0.157);兩組間比較差異亦無統計學意義(t=1.424,P=0.093)。
2.2 組織學觀察
注射后2周,兩組新生組織可見大量纖維結締組織,大量長梭形細胞分布于新生組織內,部分細胞聚集呈條索狀,形成間質組織區域;組織中可見大量大小不一的血管腔樣結構,部分空腔內有紅細胞;組織間隙中可見紅細胞滲透,提示有新生血管腔形成,但功能未完全成熟;均未見明顯與正常脂肪組織相似的脂肪團或脂肪小葉形成(圖 4 a、b)。實驗組新生血管數為(30.00 ± 7.10)個,顯著多于對照組的(10.00 ± 3.20)個,比較差異有統計學意義(t=6.291,P=0.000)。
注射后4周,兩組新生組織外緣可見大量膠原纖維,輪廓清晰,組織中可見大量大小不一的血管腔樣結構,組織中未見紅細胞滲漏,提示血管基本成熟;但仍未見明顯與正常脂肪組織相似的脂肪團或脂肪小葉形成(圖 4 c、d)。實驗組新生血管數為(17.50 ± 3.02)個,顯著多于對照組的(8.67 ± 2.58)個,比較差異有統計學意義(t=5.445,P=0.000)。4周時實驗組新生血管數顯著多于2周時(t=3.968,P=0.003),對照組與2周時比較差異無統計學意義(t=0.793,P=0.446)。
2.3 免疫熒光染色鑒定
注射后4周熒光顯微鏡下觀察示,SVF在新生組織中存活并主要集中在新生組織邊緣;與CD31綠色熒光合并,見部分血管的內皮細胞同時表達CD31和DiI雙陽性(圖 5)。
3 討論
研究發現,常態下每100克脂肪組織的血流量為2~14 mL/min,與同等體積的橫紋肌相比,其耗氧量更大,對缺氧耐受差[12-13]。外源性種子細胞植入體內后早期營養依靠血漿滲透,但血漿滲透范圍僅有200~300 μm,超出該范圍的細胞因不能得到及時充足的營養會死亡。Kneser等[14]研究表明,種子細胞植入體內后1 d有98%~99%會死亡。所以早期缺乏足夠有效的血管化是利用傳統組織工程技術誘導新生脂肪組織的瓶頸。“血管化的組織工程室技術”不僅成功解決了早期血管化不足的關鍵問題,而且通過改變組織工程室的容積,可形成更大體積的新生組織[15-18]。但因組織工程室中缺少種子細胞,僅能形成結締組織。
每克脂肪組織中含有(0.5~2.0)×106個SVF,是脂肪組織特異性的MSCs,含有30%~50% ADSCs[13]。SVF具有多向分化潛能,我們嘗試在構建的富血管化環境中加入SVF,設想種子細胞植入后早期獲得充足營養,成活率提高,自主分化為特異性脂肪細胞,為血管化組織工程室內組織新生奠定細胞學基礎。
大量研究表明,SVF能通過旁分泌和向內皮系細胞分化來促進血管化新生 [9-11]。本研究結果提示,DiI標記的SVF在注射后4周大量成活。組織學觀察示SVF注射后,實驗組新生組織中血管生成較多,其新生血管數顯著多于對照組,差異有統計學意義。提示組織工程室的早期富血管環境能提高SVF成活率,并參與血管新生進程。在血管化更好的條件下,新生組織能夠更多地與機體進行組織液交流,形成更多纖維蛋白原基質,而這種早期的內源性基質沉積對于后期的組織體積至關重要[19]。因此,注射后2、4周實驗組新生組織體積均顯著大于對照組,且2周時差異有統計學意義。
但在組織工程室中,即使血供豐富,SVF能夠成活,但不能自主分化形成脂肪細胞,其原因可能是SVF僅作為MSCs增殖并參與血管新生,不能在無特異性脂肪誘導環境下分化成脂肪細胞。提示在下一步研究中,加入特異性的成脂微環境是誘導脂肪組織新生的必要條件。
綜上述,組織工程室中引入軸形血管蒂,使早期室內組織有充足營養并迅速啟動血管新生,可促進細胞成活;并且這種新型誘導模式能夠形成較大體積的新生組織,并保持遠期三維形態和組織結構的穩定,為誘導大體積新生組織提供了一條可能途徑。但如何利用組織工程室內的特定環境,定向誘導脂肪組織新生,構建最終能應用于臨床的組織工程脂肪,還需進一步研究。
目前臨床上對于軟組織缺損多采用皮瓣或皮下組織瓣移位修復,均存在繼發供區創傷以及皮瓣遠期發生萎縮、壞死導致修復后形態達不到預期效果等不足[1-2]。1999年,Patrick等[3]利用組織工程技術成功構建成熟脂肪組織,但因組織工程脂肪中缺少固有血管,早期缺乏血管化,種子細胞大量死亡,無法滿足臨床軟組織缺損修復的需求[4]。2003年,Hofer等[5]在大鼠體內將1條股動靜脈環路植入穹窿樣硅膠小室中,8周后得到約1 mL富血管化新生成熟結締組織。由硅膠小室形成的局部空間能為內部組織生長提供所需的軸形血管基礎和營養物質,這種新型技術稱為“血管化的組織工程室技術”[6]。該技術成功解決了傳統組織工程模型早期缺乏血管化的問題,但Hofer等[5]獲得的新生結締組織結構中無成熟脂肪組織形成。
血管基質片段(stromal vascular fraction,SVF)來源于成熟脂肪組織,是一組異質性的細胞群體,含有脂肪來源干細胞(adipose-derived stem cells,ADSCs)、內皮祖細胞(endothelial progenitor cells,EPCs)、造血干細胞(hematopoietic stem cells,HPCs)等[7]。有研究報道SVF體外貼壁培養獲得的ADSCs,在不同誘導環境下能夠分化成骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞等[8];并且體內外實驗均表明SVF能分泌大量促血管生長因子,同時能分化成內皮細胞參與血管出芽[9-11]。本實驗以兔胸背動靜脈束為軸形血管蒂,在硅膠小室內形成富血管化的封閉環境,并注入自體SVF,觀察其在血供充足的情況下能否自主分化為脂肪細胞,為下一步研究提供實驗依據。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要試劑、儀器
健康6月齡新西蘭大白兔24只,雌雄不限,體重2.5~2.8 kg,由南方醫科大學實驗動物中心提供。圓柱形中空硅膠小室,長2.2 cm、內徑0.8 cm (上海威寧整形制品有限公司)。兔皮膚來源的Ⅰ型膠原支架、DiI熒光染色劑(Sigma-Aldrich公司,美國);小鼠抗兔CD31單克隆一抗、FITC標記的羊抗小鼠二抗 (Abcam 公司,英國)。熒光顯微鏡(Nikon公司,日本)。
1.2 實驗方法
1.2.1 兔SVF分離及DiI標記
取新西蘭大白兔,耳緣靜脈注射3%戊巴比妥鈉(35 mg/kg)麻醉后,完整切取頸背部脂肪墊。PBS徹底沖洗,剪除非脂肪組織。將脂肪墊剪成約1 mm × 1 mm × 1 mm的組織塊,等比例加入0.25%Ⅰ型膠原酶,37℃恒溫搖床消化30 min,期間反復震蕩混勻2~3 次;等體積培養基(含兔血清及1%青、鏈霉素的H-DMEM)中和,200目篩網過濾;以1 200 × g離心 5 min,去上清;1 mL培養基混懸沉淀,加入6倍體積紅細胞裂解液,混勻后室溫下孵育8 min,以1 200 × g離心 5 min,去上清;以1 mL培養基重懸沉淀,獲得新鮮分離的SVF懸液。紅細胞計數板計數SVF細胞數,每1 ×106個細胞加入5 μL DiI應用液,37℃下孵育20 min,1 500 × g 離心5 min,PBS清洗后以1 500 × g 離心5 min,重復2次,加入10%DMEM培養基中,熒光顯微鏡下觀察見DiI染色陽性的SVF細胞呈圓形,胞內呈橙紅色熒光(圖 1)。

1.2.2 動物模型制備及分組
取24只新西蘭大白兔,同上法麻醉后,頸背部脫毛,暴露大小為10 cm × 5 cm的術區。沿正中線作6 cm長縱切口,向兩側鈍性分離,暴露肩胛骨上方背闊肌,肌肉表面自腋下肩胛下動脈發出的血管束即為胸背動脈及其伴行的胸背靜脈。自動靜脈束遠端分叉處2 mm向近端仔細剝離長2.5 cm的血管束,5-0手術絲線結扎血管束遠端,切斷結扎線之間血管束,用Ⅰ型膠原支架以三明治夾心方式包裹后,植入圓柱形中空硅膠小室,血管束游離遠端固定于鄰近組織,保持血管束松緊適宜。3-0不可吸收絲線固定小室及血管束于肌肉組織上,小室兩端用骨蠟封口(圖 2)。
模型制備后將實驗動物隨機分為實驗組及對照組,每組12只。術后2周,實驗組采用注射器將1 mL 標記的SVF細胞懸液(1 ×106個/mL)注入圓柱形中空硅膠小室內;對照組注射等量生理鹽水。于注射后2、4周每組分別取6只動物進行觀測。
1.3 觀測指標
1.3.1 大體觀察
術后觀察兩組實驗動物存活情況。注射后2、4周同上法麻醉實驗動物后,按原切口入路,切開圓柱形中空硅膠小室植入區,大體觀察小室內新生組織情況,室溫下將新生組織置于生理鹽水中測量體積,精確至0.01 mL。
1.3.2 組織學觀察
大體觀察后取新生組織,中線縱行切開,一半置于4%多聚甲醛中固定48 h后,梯度乙醇脫水,二甲苯透明,石蠟包埋,切片,片厚5 μm,常規行HE染色。光鏡下觀察新生組織類型,20倍鏡下每張切片隨機取20個視野計數新生血管數目,以血管總數進行比較。
1.3.3 免疫熒光染色鑒定內皮細胞
取注射后4周實驗組剩余新生組織加入OCT冰凍包埋液,冰凍10 min后切片,片厚50 μm,山羊血清封閉后加入小鼠抗兔CD31單克隆抗體(1∶100)4℃孵育過夜,沖洗后加入FITC標記的羊抗小鼠二抗(1∶50)避光孵育4 h,沖洗后甘油封片,熒光顯微鏡下觀察鑒定內皮細胞。
1.4 統計學方法
采用SPSS13.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示,組間比較采用獨立樣本t檢驗,組內兩時間點間比較采用配對t檢驗;檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 大體觀察
兩組動物在觀察期間均未出現感染、死亡,切口愈合良好。
注射后2周,兩組切開皮膚可見術區圓柱形中空硅膠小室外有明顯透明薄層包膜形成;切開小室,其內有少許清亮液體,呈淡黃色,未見明顯懸浮物,新生組織基本充滿小室,新生組織與小室內壁間有少許粘連,易分離;新生組織呈圓柱狀,表面光滑,紅白相間,肉眼可見明顯血管網絡分布以及未完全降解的Ⅰ型膠原支架。其中實驗組新生組織中支架結構塌陷,與組織結合緊密,未見明顯分界;對照組支架輪廓較清晰,與組織間有分界。見圖 3 a、b。
注射后4周,兩組切開皮膚可見圓柱形中空硅膠小室外包膜增厚,紅白相間,略透明;切開小室,有極少量透亮液體,未見明顯懸浮組織,新生組織充滿小室,呈圓柱形,與小室形態相似;新生組織表面可見光亮包膜形成,組織觸之較韌,肉眼可見明顯血管分布,較2 周形狀規則,體積均有減小。實驗組新生組織顏色較2 周時明顯變白,未見支架殘留;對照組新生組織表面呈紅色,有少許絮狀支架殘留。見圖 3 c、d。
注射后2周實驗組新生組織體積為(0.87 ± 0.11) mL,大于對照組的(0.72 ± 0.08)mL,比較差異有統計學意義(t=2.701,P=0.011)。4周時兩組新生組織形狀無明顯改變,體積均縮小,實驗組及對照組分別為(0.74 ± 0.14)、(0.64 ± 0.10) mL,但與組內2周時比較差異均無統計學意義(t=1.789,P=0.104;t=1.530,P=0.157);兩組間比較差異亦無統計學意義(t=1.424,P=0.093)。
2.2 組織學觀察
注射后2周,兩組新生組織可見大量纖維結締組織,大量長梭形細胞分布于新生組織內,部分細胞聚集呈條索狀,形成間質組織區域;組織中可見大量大小不一的血管腔樣結構,部分空腔內有紅細胞;組織間隙中可見紅細胞滲透,提示有新生血管腔形成,但功能未完全成熟;均未見明顯與正常脂肪組織相似的脂肪團或脂肪小葉形成(圖 4 a、b)。實驗組新生血管數為(30.00 ± 7.10)個,顯著多于對照組的(10.00 ± 3.20)個,比較差異有統計學意義(t=6.291,P=0.000)。
注射后4周,兩組新生組織外緣可見大量膠原纖維,輪廓清晰,組織中可見大量大小不一的血管腔樣結構,組織中未見紅細胞滲漏,提示血管基本成熟;但仍未見明顯與正常脂肪組織相似的脂肪團或脂肪小葉形成(圖 4 c、d)。實驗組新生血管數為(17.50 ± 3.02)個,顯著多于對照組的(8.67 ± 2.58)個,比較差異有統計學意義(t=5.445,P=0.000)。4周時實驗組新生血管數顯著多于2周時(t=3.968,P=0.003),對照組與2周時比較差異無統計學意義(t=0.793,P=0.446)。
2.3 免疫熒光染色鑒定
注射后4周熒光顯微鏡下觀察示,SVF在新生組織中存活并主要集中在新生組織邊緣;與CD31綠色熒光合并,見部分血管的內皮細胞同時表達CD31和DiI雙陽性(圖 5)。
3 討論
研究發現,常態下每100克脂肪組織的血流量為2~14 mL/min,與同等體積的橫紋肌相比,其耗氧量更大,對缺氧耐受差[12-13]。外源性種子細胞植入體內后早期營養依靠血漿滲透,但血漿滲透范圍僅有200~300 μm,超出該范圍的細胞因不能得到及時充足的營養會死亡。Kneser等[14]研究表明,種子細胞植入體內后1 d有98%~99%會死亡。所以早期缺乏足夠有效的血管化是利用傳統組織工程技術誘導新生脂肪組織的瓶頸。“血管化的組織工程室技術”不僅成功解決了早期血管化不足的關鍵問題,而且通過改變組織工程室的容積,可形成更大體積的新生組織[15-18]。但因組織工程室中缺少種子細胞,僅能形成結締組織。
每克脂肪組織中含有(0.5~2.0)×106個SVF,是脂肪組織特異性的MSCs,含有30%~50% ADSCs[13]。SVF具有多向分化潛能,我們嘗試在構建的富血管化環境中加入SVF,設想種子細胞植入后早期獲得充足營養,成活率提高,自主分化為特異性脂肪細胞,為血管化組織工程室內組織新生奠定細胞學基礎。
大量研究表明,SVF能通過旁分泌和向內皮系細胞分化來促進血管化新生 [9-11]。本研究結果提示,DiI標記的SVF在注射后4周大量成活。組織學觀察示SVF注射后,實驗組新生組織中血管生成較多,其新生血管數顯著多于對照組,差異有統計學意義。提示組織工程室的早期富血管環境能提高SVF成活率,并參與血管新生進程。在血管化更好的條件下,新生組織能夠更多地與機體進行組織液交流,形成更多纖維蛋白原基質,而這種早期的內源性基質沉積對于后期的組織體積至關重要[19]。因此,注射后2、4周實驗組新生組織體積均顯著大于對照組,且2周時差異有統計學意義。
但在組織工程室中,即使血供豐富,SVF能夠成活,但不能自主分化形成脂肪細胞,其原因可能是SVF僅作為MSCs增殖并參與血管新生,不能在無特異性脂肪誘導環境下分化成脂肪細胞。提示在下一步研究中,加入特異性的成脂微環境是誘導脂肪組織新生的必要條件。
綜上述,組織工程室中引入軸形血管蒂,使早期室內組織有充足營養并迅速啟動血管新生,可促進細胞成活;并且這種新型誘導模式能夠形成較大體積的新生組織,并保持遠期三維形態和組織結構的穩定,為誘導大體積新生組織提供了一條可能途徑。但如何利用組織工程室內的特定環境,定向誘導脂肪組織新生,構建最終能應用于臨床的組織工程脂肪,還需進一步研究。