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在已发觉的20余种BMPs中,BMP二、BMP4、BMP7(OP1)的骨诱导能力最强。
它们形成软骨和新生骨,在增进成骨及脊柱融合的实验和临床研究中已取得了成功的体会。
但是,由于BMP的释放速度与新骨生长速度不匹配,单纯应用BMP的成效尚未理想,因此,应有适合的载体来调剂BMP的释放速度。
应用基因工程技术将BMP基因重组入宿主细胞基因组中,使BMP取得持续的表达是这一领域中重要的冲破方向,研究者正致力于寻觅适合的基因工程方式使其在临床骨科疾病的医治中发挥作用,这一领域的研究进展极大地增进了脊柱融合的研究。
目前有以下几种研究方向:
一个研究方向是用原核表达系统进行表达。
由于原核细胞内无蛋白质剪切加工系统和糖基化系统,因此BMPs表达产物以包涵体形式存在于细胞浆内,而不能分泌出胞。
依据原核细胞的非分泌性表达来取得高产量、高活性的BMPs至今仍有技术难度。
第二个研究方向是在真核细胞中进行BMPs的表达。
由于真核细胞表达系统培育条件要求严格,分泌型蛋白表达水平低,因此生产本钱高,无益于进行大规模生产,限制了从实验研究走向临床应用的进展。
第三个研究方向是采纳病毒重组技术取得BMPs的持续表达。
病毒重组技术是目前研究的重点和热点。
逆转录病毒介导的基因转移技术在欧美已用于某些遗传性疾病和骨外疾病的基因医治〔4〕。
但它只整合入增殖期的靶细胞,插入突变的可能性较大,限制了其进一步应用。
腺病毒载体具有较大的宿主范围,目前在基因医治的研究中较多〔5〕。
但重组腺病毒仅存在于细胞浆中而不能整合入靶细胞染色体,外源基因只能瞬时表达;
而且它存在免疫原性和野生型病毒污染的可能,平安性值得注意。
这促令人们寻觅其它更适合BMPs表达的病毒载体。
在这种情形下,腺相关病毒(adenoassociatedvirosis,AAV)和慢病毒慢慢引发了人们的重视。
人们研究发觉AAV几乎能够感染所有已成立的体外细胞系,且野生型AAV对人类无致病性。
AAV基因组能够整合入宿主细胞的基因组DNA中,保证了外源基因长期稳固表达;
AAV结尾重复序列中的转录元件方向不指向宿主DNA,插入突变的可能性很小;
该病毒载体可整合入割裂及非割裂期细胞,宿主范围较宽〔6〕。
Chen等对AAV在骨组织工程中的应用进行了很多有利的尝试,他第一发觉AAVBMP2能够高效转染C2C12细胞,增进成骨,具有极好的应用前景〔7〕,随后他联合应用AAV及腺病毒表达BMP2基因,发觉二者都可明显的增进成骨,且具有较好的协同作用,Ad能够增进AAV介导的BMP2的表达〔8〕。
在此基础上,Chen等进行了更深切的研究,采纳不同的目的基因――BMP4,构建AAVBMP4转染小鼠C2C12细胞,观看到明显的增进成骨作用〔9〕。
2种子细胞
种子细胞是组织工程学中的最重要、最大体的环节。
作为骨组织工程学理想的种子细胞,应该具有以下特点:
结构简单;
取材容易,对机体损伤小;
体外培育时增殖力强;
自我更新,必然的条件下能向特定的方向分化;
稳固表达到骨细胞表型;
植入体内后能继续产生成骨活动;
无致瘤性。
成立一个能够持续、稳固表达目的基因的细胞系是组织工程骨医治的关键。
人们关于自体骨组织及骨膜来源的骨髓细胞、成骨细胞研究的最先,其取材和培育方式也较为成熟,但取材困难、来源有限、易老化,限制了进一步应用。
干细胞具有多向分化性,操纵培育体系可向成骨细胞分化,是目前研究的热点。
干细胞分为组织干细胞和胚胎干细胞;
胚胎干细胞尽管具有很多优势。
但面临很多伦理性及平安性问题,如致瘤性问题尚未解决;
相对而言,组织干细胞可能是近期应用的最正确种子细胞来源〔10〕。
其中研究最多的是骨髓间充质干细胞(BMSCs)和肌源性干细胞(MDSCs)。
BMSC是普遍存在于骨髓间质内的未分化间质干细胞,具有取材方便、易培育和多分化潜能等优势,曾被以为是一种理想的组织工程种子细胞。
Riew等用腺病毒载体携带BMP2基因转染新西兰兔BMSC,与明胶海绵复合,植入兔L5~6横突间。
术后2周,组织学检查即可见新骨形成;
术后7周,横突间有明显的成熟骨小梁,而对照组那么无新生骨形成〔11〕。
可是随着相关研究的深切,人们发觉了BMSC存在的问题――基因转染效率较低,无益于BMP基因长期高效表达。
人们开始致力于寻觅一种更优的靶细胞,高效表达BMP类基因。
肌源性细胞(MDCs)引发了研究者的关注,He等研究发觉腺病毒介导的BMP二、4、六、7、9等基因能够高效转染成肌细胞系C2C12细胞,明显表达碱性磷酸酶(ALP)的活性,BMP五、八、10、1一、1二、13亦可引发C2C12细胞ALP的活性升高;
而在多能性间充质祖细胞中,仅有BMP二、7、9能够诱导出明显的ALP活性,BMP4、7的作用较弱,其它那么无此类作用〔2〕。
Chen的研究也支持这一结论〔8~9〕。
Rose等进一步比较了MDC和BMSC在转染BMP4基因诱导成骨中的作用。
研究者别离应用逆转录病毒转染小鼠MDC和BMSC,用以表达BMP4,2组细胞别离植入鼠股骨骨缺损模型处,观看成骨情形,术后8周和12周2组都可观看到骨桥形成,但MDCBMP4组密度显著高于BMSCBMP4组,前者无骨不连发生(本组14只),而后者发生骨不连者为6只(本组17只);
研究者以为MDC在骨缺损的医治中要明显优于BMSC〔13〕。
Wright等研究发觉,包括BMP4基因的逆转录病毒能够高效转染MDSC,分泌高水平的功能性BMP4因子,在免疫活性小鼠的实验中,异体移植的MDSCs也能够诱导健康的新生骨形成,作者以为基于MDSCs的基因医治技术在增进骨愈合上极具潜力〔14〕。
Shen等比较了MDCs不同的亚群在诱导成骨中的作用,他们发觉PP6中的MDSCs作用最强,为骨组织工程的进展寻觅一种加倍理想的靶细胞提供了可能〔15〕。
MDSCs在骨组织工程中的作用,慢慢取得了人们的认同,对其研究取得了愈来愈多的重视〔16~20〕。
3生物支架材料
骨组织工程中理想的生物支架材料应知足以下特点:
具有良好的生物相溶性和生物降解性,具有骨传导性和骨诱导性,具有必然的生物力学强度和刚度。
目前应用的生物支架材料种类很多,要紧包括天然高分子材料和人工合成高分子材料两大类,各具优缺点。
前者中经常使用的有脱钙骨基质(DBM)、胶原等,具有生物相溶性和生物降解性优良、利于细胞黏附生长、骨诱导性好等特点,是应用最普遍的生物支架,可是其生物强度较低,具有必然的免疫原性,限制了其进一步应用。
后者经常使用的有PGA、PLA、PLGA、羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等,这种材料普遍存在生物降解与组织形成速度不匹配,骨诱导性不佳等缺点,并非理想的生物载体。
人们为了寻觅一种理想的生物支架材料,进行了大量的研究。
Martin等进行的一项研究,别离采纳不同剂量的rhBMP2与不同载体复合,植入29只恒河猴L4~5横突间融合模型中。
研究者发此刻标准的BMP2作用剂量下,由于胶原海绵载体被紧缩,从而阻碍了骨诱导,作者推测可能是由于组织间的挤压作用,BMP2被挤出了海绵载体;
若是在胶原复合rhBMP2时,填充的时刻足够长、对组织紧缩采取了相应的机械爱惜,即便较低剂量的rhBMP2亦能够有效地增进骨诱导〔21〕。
Usas等那么通过比较4种不同的支架载体研究发觉,一种新型的支架材料Gelfoam和胶原作为成骨性细胞的载体效率最高,且二者骨矿化成形作用模式相似,而Gelfoam克服了胶原存在的部份缺点,是一种较为理想的支架材料,研究者结合异位成骨的相关研究结果以为Gelfoam是骨诱导支架的“金标准”〔22〕。
4基因医治在脊柱融合中的作用
最近几年来,大量的研究证明了基因医治增进脊柱融合的可行性。
目前,多数学者采纳BMP家族基因中的BMP二、BMP7进行增进脊柱融合的实验研究。
Wang等用AdBMP2转染骨髓基质细胞,植入兔L4、5横突间,在所有应用BMP2组,术后4周均良好融合,组织学观看都可发觉骨小梁形成,在未采纳BMP2的所有对照组,仅有少量新生骨或无新生骨形成;
作者以为基因医治的方式能够有效增进脊柱融合〔23〕。
Jenis等研究说明BMP7(OP1)在脊柱融合初期能够增进成骨〔24〕。
Sandhu等也以为BMP二、BMP7能够有效增进脊柱融合。
新近的研究证明rhBMP4增进脊柱融合的作用强于rhBMP2,所需剂量仅为rhBMP2的十分之一,且成骨量与剂量成正相关,为BMP4在脊柱融合方面的应用提供了理论和实验基础。
Guo等通过大鼠的脊柱融合动物模型证明,BMP4能增进非骨髓源性间充质干细胞分化成为成骨性细胞,进而增进局部成骨,提高脊柱后外侧融合的融合率〔25〕。
李广恒等应用包括BMP4基因的腺病毒载体,转染兔BMSCs,高效表达BMP4因子,并植入兔横突间,有效增进了脊柱融合〔26〕。
5结论与展望
如何有效地增进脊柱融合,提高融合率和临床疗效,减少并发症,一直是脊柱外科医生难以解决的难题。
基因医治和组织工程的进展为解决这一难题带来了希望。
人们对此进行了大量的研究,取得了一系列研究功效。
通过基因医治和组织工程方式构建的骨移植替代材料在动物实验中已经取得了良好的疗效,能够在脊柱融合部位长期高效稳固表达骨生长因子,有效地增进脊柱融合;
Boden等在灵长类动物实验的基础上,已经成功地将NeOsteo及rhBMP2等因子应用于人体的临床实验,报告了极佳的临床疗效〔27〕。
这些研究功效必将极大的增进相关研究的继续深切,为组织工程骨早日进入临床奠定了理论和实验研究的基础。
可是作者也注意到了目前存在大量尚待解决的问题。
基因医治的研究仍然停留在较低等动物的水平上,缺乏高等动物的相关研究,关于灵长类动物的研究目前还未见到基因水平上的报导;
由于物种进化的复杂性和多样性,在低等动物身上证明有效的骨移植物并非必然能成功应用于较高级的动物,人们还需要应用灵长类实验动物来查验其功效。
基因医治的平安性还未取得有效验证,人们对其尚存很多争议;
在其作用的有效剂量、效费比等相关问题上仍存在着较大不合。
目前在病毒载体、种子细胞、生物支架材料等方方面面,研究者尚未取得共识:
病毒载体的平安性问题有待于进一步解决;
如何寻觅一种能够高效转染而且长期稳固表达目的基因的靶细胞也是研究者关注的热点问题;
而研究中应用的生物支架载体均存在某些缺点,目前尚无一种具有良好的生物相溶性和生物降解性、具有骨传导性和骨诱导性和良好的生物力学强度和刚度的载体材料。
上述这些问题限制了基因医治和骨组织工程在脊柱融合中的进一步应用,人们必需进行长期艰苦的探讨才能有效的解决这些问题。
尽管基因医治还存在着很多问题,但其研究的兴起仍为脊柱融合的研究提供了一种全新的思路。
人们有理由相信,随着相关研究的慢慢深切,人们必然会解决这些问题,为基因医治在增进脊柱融合中的应用奠定良好的基础。
参考文献:
〔1〕邝冠明,董智勇,郑召民.椎间盘源性疼痛的医治选择[J].中国矫形外科杂志,2005,13(5):
386388.
〔2〕BonoCM,Leeanalysisoftrendsinfusionfordegenerativediscdiseaseoverthepast20years:
influenceoftechniqueonfusionrateandclinicaloutcome[J].Spine,2004,29(4):
455463.
〔3〕LiebermanJR,DaluiskiA,Einhornroleofgrowthfactorsintherepairofbone:
biologyandclinicalapplications[J].Thejournalofboneandjointsurgery,2002,84(6):
.
〔4〕LaurencinCT,AttawiaMA,LULQ,et(lactidecoglycolide)/hydroxyapatitedeliveryofBMP2producingcells:
aregionalgenetherapyapproachtoboneregeneration[J].Biomaterials,2001,22(11):
〔5〕KangQ,SunMH,ChengH,etofthedistinecorthotopicboneformingactivityof14BMPsusingrecombinantadenovirusmediatedgenedelivery[J].GeneTher,2004,11(17):
〔6〕杜绪仑,任惠民,胡海涛,等.2型腺伴随病毒基因医治载体的构建[J].西安医科大学学报,2001,22
(2):
100102.
〔7〕ChenY,LukKD,CheungKM,ettherapyfornewboneformationusingadenoassociatedviralbonemorphogeneticprotein2vectors[J].GeneTher,2003,10(16):
〔8〕ChenY,LukKD,CheungKM,etofadenoassociatedvirusandadenovirusvectorsexpressingbonemorphogeneticprotein2producesenhancedosteogenicactivityinimmunocompetentrats[J].BiochemBiophysRescommun,2004,317(3):
675681.
〔9〕LukKD,ChenY,CheungKM,etvirusmediatedbonemorphogeneticprotein4genetherapyforinvivoboneformation[J].BiochemBiophysRescommun,2003,308(3):
636645.
〔10〕裴国献,金丹.骨组织工程学种子细胞研究进展[J].中华创伤骨科杂志,2003,5
(1):
5558.
〔11〕RiewK,WrightN,ChengS,etofboneformationusingarecombinantadenovialvectorcarryingthehumanBMP2geneinrabbitspinalfusionmode[J].CalcifTissueInt,1998,63:
357360.
〔12〕HeTC,chengH,JiangW,etostogenicactivityof14typesofbonemorphogenicproteins:
implicationsinboneregenerationandspinefusion[J].CalcifTissueInt,1998,63:
〔13〕RoseT,PengHR,ShenHC,etroleofcelltypeinbonehealingmediatdbyexvivogenetherapy[J].LangenbecksArchSurg,2003,388:
347355.
〔14〕WrightVJ,PengH,UsasA,etmusclederivedstemcellsdifferentiateintoosteogeniclineageandimprovebonehealinginimmunocompetentminc[J].MolecularTherapy,2002,6
(2):
169178.
〔15〕ShenHC,PengHR,UsuaA,etvivogenetherapyinducedendochondralboneformation:
comparisionofmusclederivedstemcellsanddifferentsubpopulationofprimarymusclederivedcells[J].Bone,2004,34:
982992.
〔16〕DeasyBM,LiY,Huardengineeringwithmusclederivedstemcells[J].CurrentOpinioninBiotechnology,2004,15:
419423.
〔17〕YoungBH,PengHE,Huardgenetherapyandtissueengineeringtoimprovebonehealing[J].ClinicalofThopaedicsandRelatedReaearch,2002,403:
243251.
〔18〕PengHR,Huardstemcellsformusculoskeletaltissueregenerationandrepair[J].TransplantImmunology,2004,12:
311319.
〔19〕RundleCh,MiyakoshiN,KasukawaY,etvivoboneformationinfracturerepairinducedbydirectretroviralbasedgenetherapywithbonemorphogeneticprotein4[J].Bone,2003,32:
591601.
〔20〕RoseT,PengH,UsasA,ettherapytoimproveosteogenesisinbonelesionswithseveresofttissuedamage[J].LangenbecksArchSurg,2003,(383):
356365.
〔21〕MartinGJJr,BodenSD,MaroneMA,etintertransverseprocessspinalarthrodesiswithrhBMP2inanonhumanprimate:
importantlessonslearnedregardingdose,carrier,andsafety[J].JSpinalDisord,1999,12(3):
179186.
〔22〕UsasA,HoA,pengH,etsystemaffectsosteoinductionandectopicboneformationmediatedbymusclederivedstemcellsexpressingBMP4[C].51stAnnalMeetingofOrthopaedicResearchSociety,2005,1572.
〔23〕WangJC,KanimLE,YooS,etofregionalgenetherapywithbonemorphogeneticprotein2producingbonemarrowcellsonspinalfusioninrats[J].JBoneJointSurgAm,2003,85A(5):
905911.
〔24〕JenisLG,WheelerD,Parazineffectofosteogenicprotein1ininstrumentedandnoninstrumentedposterolateralfusioninrabbits[J].SpineJ,2002,2(3):
173178.
〔25〕GuoX,LeeKM,LawLP,ethumanbonemorphogeneticprotein4(rhBMP4)enhancedposteriorspinalfusionwithoutdecortication[J].JournalofOrthopaedicResearch,2002,(20):
740746.
〔26〕李广恒,侯筱魁,吴祥甫.组织工程化骨组织诱导脊柱融合的实验研究[J].中国医学科学院学报,2003,25
(1):
3942.
〔27〕BodenSD,GrobD,Damienbonegrowthfactorforposterolaterallumbarspinefusion:
resultsfromanonhumanprimatestudyandaprospectivehumanclinicalpillotstudy[J].Spine,2004,29(5):
504514.
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