先天性外中耳畸形(12)
——耳郭軟骨成分與生物力學(xué)性能*

張?zhí)煊?盧鑫雨 傅窈窈

耳郭軟骨組織工程是先天性外中耳畸形修復(fù)的重要研究方向之一，可以避免肋軟骨切取所造成的供區(qū)并發(fā)癥，并減少因術(shù)者支架雕刻水平而造成的耳郭外形差異。軟骨組織工程經(jīng)過近20年的發(fā)展，在種子細(xì)胞、支架材料、細(xì)胞因子三方面均進(jìn)行了積極的探索，但組織工程軟骨生物力學(xué)性能不足，不能對抗皮瓣的回縮仍是限制其臨床轉(zhuǎn)化的重要瓶頸。

除由脂肪組織構(gòu)成的耳垂外，耳郭軟骨存在于耳郭的所有部位，并被軟骨膜所包圍。耳郭軟骨屬于彈性軟骨，其細(xì)胞外基質(zhì)成分和組織形態(tài)與透明軟骨(關(guān)節(jié)軟骨、鼻中隔軟骨、肋軟骨)、纖維軟骨(椎間盤、半月板)不同，目前透明軟骨和纖維軟骨的生化性能和生物力學(xué)性能已經(jīng)得到了廣泛研究[1～3]，但少有關(guān)于彈性軟骨的力學(xué)性能研究數(shù)據(jù)[4]。

眾所周知，軟骨組織的生物力學(xué)性能主要取決于其特定的組成和結(jié)構(gòu)。耳郭軟骨由軟骨膜、軟骨細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM)構(gòu)成。本文主要介紹現(xiàn)階段關(guān)于天然耳郭軟骨組織構(gòu)成和生物力學(xué)性能的研究進(jìn)展，為進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有的組織工程軟骨提供依據(jù)。

1 軟骨膜和軟骨細(xì)胞對生物力學(xué)性能的影響

曾有學(xué)者報(bào)道過軟骨膜對軟骨組織生物力學(xué)性能的影響，如：Roy 等[5]采用大撓度弾性模型描述了軟骨組織在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中的拉伸彈性模量，發(fā)現(xiàn)帶有軟骨膜的軟骨組織中，遠(yuǎn)離負(fù)荷施加器一側(cè)的組織比朝向負(fù)荷施加器一側(cè)的組織具有更高的模量，推測軟骨膜可能使得軟骨組織變得更硬。

部分學(xué)者支持細(xì)胞-機(jī)械學(xué)說，認(rèn)為軟骨細(xì)胞內(nèi)的脂滴、細(xì)胞絲等超微結(jié)構(gòu)能夠影響軟骨組織的生物力學(xué)性能，但這種說法僅為一種推測。上世紀(jì)曾有不少學(xué)者陸續(xù)觀察了各種哺乳動物(大鼠、小鼠、家兔等)耳郭軟骨組織的超微結(jié)構(gòu)，均報(bào)道過脂滴的存在[6～10]。一般認(rèn)為，軟骨細(xì)胞中脂滴的存在具有永久性特征[9]，且脂滴并不是單獨(dú)存在的，周圍通常有細(xì)胞絲的緊密結(jié)合。軟骨細(xì)胞中脂滴的這些結(jié)構(gòu)特征與白色脂肪細(xì)胞中的脂滴極為相似[6,9,11]，某些軟骨細(xì)胞(如大鼠耳郭軟骨組織中央?yún)^(qū)軟骨細(xì)胞)本身就具有完全脂肪化的表型特點(diǎn)，有學(xué)者將這種印戒狀的軟骨細(xì)胞稱為“脂軟骨細(xì)胞”[9]。

早在19世紀(jì)就有學(xué)者曾經(jīng)提出耳郭軟骨細(xì)胞中的脂滴不能單純視為化學(xué)能的儲存形式，Sacerdotti等[12]對成年家兔進(jìn)行了饑餓實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)即使在家兔體重由于饑餓而減少50%的情況下，家兔耳郭軟骨細(xì)胞內(nèi)脂滴的含量也沒有任何變化。對狗、貓、大象會厭軟骨的解剖發(fā)現(xiàn)其彈性軟骨部分或全部被白色脂肪組織取代，結(jié)合前文所述軟骨細(xì)胞與白色脂肪細(xì)胞結(jié)構(gòu)的相似性，推測兩類細(xì)胞中的脂滴可能具有相似的生物力學(xué)功能[9]。另外，胞質(zhì)細(xì)絲屬于細(xì)胞骨架的一種成分，很可能賦予細(xì)胞結(jié)構(gòu)剛性[6]，其與脂滴之間的特殊結(jié)構(gòu)關(guān)系是否與軟骨組織的生物力學(xué)性能相關(guān)值得進(jìn)一步探究。

2 彈性纖維對耳郭軟骨生物力學(xué)性能的影響

相比于軟骨膜和軟骨細(xì)胞，軟骨基質(zhì)成分與軟骨組織的力學(xué)特性相關(guān)性更明確。彈性軟骨基質(zhì)成分主要包括水、糖胺聚糖(glycosaminoglycan，GAGs)、膠原纖維和彈性纖維等，其中，彈性纖維的廣泛存在是彈性軟骨與其他軟骨亞型的主要區(qū)別[3]。電鏡下，彈性纖維由兩部分組成，核心部分電子密度較低，為均質(zhì)無定形的彈性蛋白；外周覆蓋電子密度較高的微原纖維，主要由原纖維蛋白構(gòu)成；彈性蛋白主要提供彈性，在拉伸后表現(xiàn)出反沖能力[13]，微原纖維被認(rèn)為對某些解剖位置具有錨定功能。

通常所說的彈性纖維其實(shí)包括三種不同結(jié)構(gòu)的纖維成分[14]：Oxytalan纖維、Elaunin纖維和彈性纖維，但往往被統(tǒng)稱為“彈性纖維”或“彈性蛋白相關(guān)纖維”。Cotta-Pereira等[14]認(rèn)為這三種不同的彈性蛋白相關(guān)纖維可能反映彈性纖維成熟的系列過程；其中，Oxytalan纖維不含彈性蛋白，由直徑10～14 nm的微纖維束組成；Elaunin纖維由微纖維和交聯(lián)的彈性蛋白組成，微纖維是其主要成分；而彈性纖維的主體成分是彈性蛋白[15]。分子組合實(shí)驗(yàn)表明，富含纖維蛋白的微纖維比彈性蛋白硬兩個(gè)數(shù)量級[16]。鑒于這三種纖維中彈性蛋白和微纖維的相對含量不同，有人推測這些纖維具有不同的力學(xué)性能，亦即Elaunin纖維的彈性性能介于Oxytalan纖維和彈性纖維之間[16]。由于人體主要大血管(主動脈等)中彈性纖維占比高達(dá)28%～32%(干重)[17]，因此，針對彈性纖維機(jī)械功能和生物力學(xué)性能的研究主要集中于心血管領(lǐng)域。由于耳郭軟骨包含廣泛的彈性纖維網(wǎng)絡(luò)，在評估彈性軟骨的力學(xué)特性時(shí)，必須考慮彈性纖維的機(jī)械功能。迄今為止，尚無文獻(xiàn)報(bào)道耳郭軟骨中這三種纖維的相對含量，亦無彈性纖維在耳郭軟骨中直接機(jī)械作用的報(bào)道。

在耳郭軟骨中，彈性纖維形成三維蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)環(huán)繞著軟骨細(xì)胞，有學(xué)者推測這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功能是允許較大形變的發(fā)生[4, 18]。Roy等[5]對比了天然肋軟骨、耳郭軟骨和組織工程耳郭軟骨的大撓度彎曲行為，發(fā)現(xiàn)耳郭軟骨的彎曲模量明顯低于肋軟骨，進(jìn)一步說明了彈性纖維的作用。Pelinitz等[18]發(fā)現(xiàn)成人的耳郭長度、寬度會隨著年齡的增長而繼續(xù)增長，認(rèn)為這種現(xiàn)象可以歸因于彈性纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化和彈性蛋白的降解。Ito等[19]觀察了不同年齡段人耳軟骨彈性纖維的超微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長，耳郭軟骨彈性纖維的厚度變得越來越不均勻，他們認(rèn)為這種彈性纖維的結(jié)構(gòu)變化是成年后耳郭軟骨繼續(xù)增長的原因之一。盡管目前并無直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明彈性纖維對耳郭軟骨組織生物力學(xué)性能的影響，但這些發(fā)現(xiàn)都為耳郭軟骨中彈性纖維影響生物力學(xué)性能提供了間接依據(jù)。

3 膠原纖維和蛋白多糖對耳郭軟骨的生物力學(xué)影響

膠原纖維和蛋白多糖不僅存在于彈性軟骨基質(zhì)，也存在于透明軟骨和纖維軟骨基質(zhì)。目前，這兩種成分對關(guān)節(jié)軟骨生物力學(xué)性能的影響已經(jīng)得到了廣泛和深入的研究。

膠原纖維主要由膠原蛋白先組合成三股螺旋結(jié)構(gòu)，后者相互盤繞形成膠原原纖維，膠原原纖維共價(jià)交聯(lián)后形成具有特定生物力學(xué)性能的膠原纖維。有證據(jù)支持膠原蛋白的生物力學(xué)性能與彈性蛋白不同，Gosline等[20～22]測量了主要由膠原蛋白構(gòu)成的哺乳動物肌腱和主要由彈性蛋白構(gòu)成的牛韌帶之間生物力學(xué)性能的差異，發(fā)現(xiàn)彈性蛋白的彈性模量為0.001 1 GPa，延展率為1.5，韌性為1.6 MJ/m3, 順應(yīng)性為 90%；相比之下，雖然膠原蛋白順應(yīng)性與彈性蛋白類似(90%)，但其延展率僅為0.13，韌性為6 MJ/m3，彈性模量(1.2 GPa)為彈性蛋白的1 000倍。因此，膠原纖維的力學(xué)性能很可能與彈性纖維不同，二者含量比值、纖維分布及取向均對組織生物力學(xué)性能有顯著影響[23,24]。有學(xué)者曾提出，在血管中彈性纖維決定了血管伸展時(shí)的硬度，而膠原纖維形成了一個(gè)不可拉伸的網(wǎng)，防止血管的擴(kuò)張超過彈性纖維的屈服點(diǎn)[25]。

蛋白多糖由一個(gè)中央蛋白核心和連接其上的多達(dá)150多個(gè)多糖側(cè)鏈(糖胺聚糖鏈)構(gòu)成，許多蛋白多糖分子連接于一個(gè)長鏈透明質(zhì)酸上形成復(fù)雜的蛋白多糖聚合體，固定于膠原纖維形成的三維網(wǎng)絡(luò)中[26]。糖胺聚糖側(cè)鏈至少有一個(gè)帶負(fù)電荷的基團(tuán)(羧基或硫酸鹽等)，這些帶電基團(tuán)產(chǎn)生很高的凈負(fù)電荷密度，后者又能產(chǎn)生電荷依賴性滲透膨脹壓力并對軟骨組織的生物力學(xué)性能產(chǎn)生影響[26]。一般認(rèn)為，膠原纖維網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的內(nèi)部拉伸應(yīng)力可以平衡帶有很高凈負(fù)電荷密度的蛋白多糖聚合體產(chǎn)生的滲透膨脹壓力[26]。

此外，膠原纖維的交聯(lián)亦被認(rèn)為能夠影響組織的力學(xué)性能。Elbjeirami等[27]利用賴氨酰氧化酶(lysine oxidase，LO)對細(xì)胞外基質(zhì)中的膠原蛋白進(jìn)行廣泛交聯(lián)，他們將LO基因通過脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染的方式導(dǎo)入血管平滑肌細(xì)胞(vascular smooth muscle cell，VMSC)，并將 VMSC 接種于膠原纖維凝膠中，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，轉(zhuǎn)染LO基因的VMSC接種的膠原凝膠顯示出更高的拉伸強(qiáng)度和彈性模量，但二者膠原蛋白水平、彈性蛋白水平和細(xì)胞增殖速率均無明顯差異，認(rèn)為膠原纖維的交聯(lián)能夠改變凝膠的生物力學(xué)性能。Bastiaansen-jenniskens等[28]將牛關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞置于海藻酸鈉微球中培養(yǎng)并使用交聯(lián)抑制劑β-氨基丙腈(β-aminopropionitrile，BAPN)調(diào)控細(xì)胞外基質(zhì)中膠原網(wǎng)絡(luò)的形成，發(fā)現(xiàn)在BAPN存在的條件下經(jīng)過70天的培養(yǎng)后，僅僅增加膠原纖維的數(shù)目，不能改善組織的生物力學(xué)性能，細(xì)胞外基質(zhì)平衡模量的增加需要更高的膠原交聯(lián)水平，證明較高的膠原交聯(lián)水平有助于提高軟骨組織的機(jī)械強(qiáng)度和硬度。

4 結(jié)語

目前透明軟骨和纖維軟骨的生化性能和生物力學(xué)性能已經(jīng)得到了廣泛研究，但少有關(guān)于耳郭組織的彈性軟骨的機(jī)械學(xué)測量和生物化學(xué)數(shù)據(jù)；耳郭軟骨的特殊結(jié)構(gòu)相關(guān)的生物力學(xué)性能是完善組織工程軟骨臨床轉(zhuǎn)化的重要內(nèi)容之一。本文綜述了目前已知的耳郭軟骨中各個(gè)組成部分(軟骨膜、軟骨細(xì)胞及軟骨基質(zhì)中的不同成分)對軟骨生物力學(xué)性能的影響，重點(diǎn)是耳郭軟骨的特殊結(jié)構(gòu)——彈性纖維對力學(xué)性能的影響，為軟骨組織工程的進(jìn)一步發(fā)展提供依據(jù)。