生物材料植入骨缺損引起的異物反應(yīng)

朱陽等

【摘要】巨噬細(xì)胞和異物巨細(xì)胞是在植入醫(yī)學(xué)材料，假體，或生物材料后的異物炎癥及愈合的末段反應(yīng)。此綜述是集中在調(diào)整巨噬細(xì)胞及異物巨細(xì)胞在合成材料表面的相互反應(yīng)的因素上，合成材料表面的物理化學(xué)和形態(tài)因素在調(diào)節(jié)細(xì)胞行為中起一定作用。這些異物反應(yīng)過程中的行為包括，蛋白質(zhì)的吸附，巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞的聚集和巨噬細(xì)胞融合成多核巨細(xì)胞，作為對生物材料的異物反應(yīng)及在巨噬細(xì)胞/異物巨細(xì)胞和炎癥/愈合細(xì)胞間的轉(zhuǎn)交的結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】骨；異物反應(yīng)；生物材料

【中圖分類號】R318.08【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1004-4949（2013）08-259-02

生物材料的表面性質(zhì)在對植入后的1、2、4周內(nèi)的異物反應(yīng)起到很重要的調(diào)節(jié)作用。由于異物反應(yīng)可能影響植入體的生物相容性，另外很大程度的影響植入體的組織工程結(jié)構(gòu)包括蛋白質(zhì)、細(xì)胞以及其他與組織工程和再生醫(yī)學(xué)相關(guān)的生物部件。

1 巨噬細(xì)胞的募集

生物材料處的炎癥反應(yīng)和異物反應(yīng)需要單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞的滲出和遷移植入。在組織和生物材料之間有炎性細(xì)胞的募集，炎癥早期階段多形核中性粒細(xì)胞，后期為單個(gè)核細(xì)胞^[1]。這個(gè)過程在骨組織中也相似，為了到達(dá)骨缺損處的炎癥部位，免疫細(xì)胞需要通過包括血管內(nèi)皮細(xì)胞等多種障礙。這種細(xì)胞遷移已知是由蛋白酶促進(jìn)的^[2]。巨噬細(xì)胞通過趨化因子和化學(xué)引誘物趨向植入處。在血-材料反應(yīng)之后，血小板和血凝塊釋放趨化物，導(dǎo)致巨噬細(xì)胞趨向創(chuàng)傷部位。另外，巨細(xì)胞脫粒和組胺釋放，也使巨噬細(xì)胞向植入處的集聚。巨噬細(xì)胞的集聚導(dǎo)致了后期的趨化標(biāo)志物的增多，引導(dǎo)更多巨噬細(xì)胞集中在傷處。

Rhodes et al展示了在圍繞聚乙烯植入物周圍滲出的巨噬細(xì)胞中表達(dá)CCL2^[3]。CCL2和CCL5，CCL3，CCL4，CCL7，8，13是吸引巨噬細(xì)胞單核細(xì)胞的趨化因子，Kosuke Mizutani et al的研究表明CCL2可以誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化^[2]。這些因子向材料-組織之間的界面吸引更多的巨噬細(xì)胞。

2 巨噬細(xì)胞融合

巨噬細(xì)胞在集聚之后會通過整合素調(diào)節(jié)偽足相互靠近，相互融合成為異物巨細(xì)胞。但導(dǎo)致巨噬細(xì)胞融合的確切的分子機(jī)制尚未完全闡明?，F(xiàn)有研究顯示多種細(xì)胞因子發(fā)揮作用；而且巨噬細(xì)胞融合在材料表面是有材料依賴性的。IL-4是在融合過程中需要的誘導(dǎo)因子，依賴整合素β1受體引導(dǎo)融合，整合素β2參與單核細(xì)胞最初的粘附過程。IL-4和IL-13都通過定位在融合界面的受體增加在融合巨噬細(xì)胞上的甘露糖受體。甘露糖受體抑制劑的應(yīng)用使巨噬細(xì)胞融合被阻止或降低，顯示這種受體在異物巨細(xì)胞形成是必須的。甘露糖受體在巨噬細(xì)胞和樹突細(xì)胞表達(dá)并介導(dǎo)內(nèi)吞作用和吞噬作用。CD44和CD47均能高度誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞融合，促進(jìn)融合和多核化。樹突狀細(xì)胞特異性跨膜蛋白（DC-STAMP）在異物巨細(xì)胞形態(tài)時(shí)的融合是必要的。在缺乏DC-STAMP的老鼠中不存在巨噬細(xì)胞融合。Kyriakides et al表示在無CCL-2的老鼠的植入物表面異物巨細(xì)胞反應(yīng)降低。在體外去除CCL-2同樣降低異物巨細(xì)胞反應(yīng)，進(jìn)一步證實(shí)了CCL2是巨噬細(xì)胞融合的一個(gè)主要部分^[4]。其他炎癥介質(zhì)同樣影響融合。

除去細(xì)胞因子的作用，材料表面的巨噬細(xì)胞融合必須有合適的吸附蛋白質(zhì)的排列，這樣粘附細(xì)胞才能具有融合成異物巨細(xì)胞所需要的表型。因此，導(dǎo)致異物巨細(xì)胞反應(yīng)主要有兩個(gè)主要條件：合適的引導(dǎo)融合的刺激物和有適合吸附蛋白吸附的材料的表面性質(zhì)。

3 異物反應(yīng)引起骨微環(huán)境改變

巨噬細(xì)胞集聚的結(jié)果就是巨噬細(xì)胞和異物巨細(xì)胞在生物材料表面的粘附使細(xì)胞膜和生物材料表面之間產(chǎn)生一個(gè)特別的微環(huán)境。Henson et al等描述在這個(gè)微環(huán)境中，吞噬作用，巨噬細(xì)胞和異物巨細(xì)胞可以在細(xì)胞膜和生物材料間的區(qū)域釋放降解性介質(zhì)如ROIs（活性氧中間產(chǎn)物）、降解酶、酸，以致這些介質(zhì)被緩沖或抑制作的用減少^[2]。而且巨噬細(xì)胞中的吞噬溶酶體具有PH4的酸性^[4]，一定程度上使新骨形成受到阻礙。

Frédéric Velard et al等也闡述HA顆粒對PMNs的影響激發(fā)了積極地炎癥反饋。HA顆?？梢栽黾覲MNs的細(xì)胞因子和趨化因子例如IL-1a和IL-8^[5]。IL-8通過與PMNs上的特異2型受體結(jié)合介導(dǎo)MMP-9的分泌。另外，這個(gè)受體通路導(dǎo)致NF-kB激活，并產(chǎn)生幾種對骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)有害的介質(zhì)，引起了破骨細(xì)胞活化導(dǎo)致了骨質(zhì)溶解，最終結(jié)果為植入失敗。HA碎片的吞噬是多種細(xì)胞因子釋放的刺激因素，引起破骨細(xì)胞活化的介質(zhì)大多數(shù)由這些吞噬了材料的巨噬細(xì)胞合成^[3]。

4 淋巴細(xì)胞/巨噬細(xì)胞相互反應(yīng)

異物反應(yīng)是一種機(jī)體排除外來物體的反應(yīng)，主要由單核巨噬細(xì)胞系統(tǒng)完成，既可以通過吞噬作用吞噬異物，又能通過抗原呈遞作用引起特異性免疫反應(yīng)。同時(shí)，特異性免疫反應(yīng)還對異物反應(yīng)有促進(jìn)作用。可以說，在生物材料植入骨缺損后，淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的相互作用是復(fù)雜而多變的。

有研究顯示在淋巴細(xì)胞體外培養(yǎng)時(shí)，淋巴細(xì)胞可以粘附于生物材料表面^[4]。而在淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞體外共培養(yǎng)時(shí)，淋巴細(xì)胞大多數(shù)吸附在巨噬細(xì)胞和異物巨細(xì)胞表面而非自己吸附于材料表面。淋巴細(xì)胞促進(jìn)巨噬細(xì)胞粘附和融合，巨噬細(xì)胞反過來促進(jìn)淋巴細(xì)胞增殖，這個(gè)過程已證實(shí)通過旁分泌方式調(diào)節(jié)^[3]。另外此過程不同程度上由材料表面的化學(xué)性質(zhì)影響。

淋巴細(xì)胞通過旁分泌和近分泌產(chǎn)生的炎癥因子都增強(qiáng)巨噬細(xì)胞和異物巨細(xì)胞活性。因此他們證明淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞直接和間接的反應(yīng)機(jī)制可能在炎癥、異物反應(yīng)和創(chuàng)傷愈合中很重要。然而這些現(xiàn)象的特定機(jī)制尚未知曉。吸附在材料表面的巨噬細(xì)胞和異物巨細(xì)胞對ECM的重塑和纖維化有調(diào)控作用，因而影響生物材料的效果。

但是在臨床應(yīng)用中，生物材料往往與細(xì)胞，蛋白質(zhì)和其他活性成分混合。一項(xiàng)最近的研究揭露向小鼠移植BMSCs會刺激T細(xì)胞反應(yīng)，抑制骨修復(fù)并通過分泌IFN-γ和TNF-a引起B(yǎng)MSCs脂肪化^[1]。另外，手術(shù)創(chuàng)傷也導(dǎo)致IFN-γ和TNF-a的分泌^[2]，我們可以認(rèn)為移植的手術(shù)過程會募集T細(xì)胞，通過IFN-γ和TNF-a阻礙了骨形成。

我們致力于獲得對異物反應(yīng)的機(jī)制性理解，巨噬細(xì)胞怎樣影響對生物材料的炎癥反應(yīng)，而這些又如何由材料表面化學(xué)性質(zhì)調(diào)控的，從而修飾生物材料達(dá)到促進(jìn)成骨的作用。

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