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成纤维细胞的生物学特性及其成骨作用的研究进展

来源:中国临床解剖学杂志 作者:温广明徐达传 2004-9-29
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摘要: 目前动物实验已能从骨膜、骨髓等定向性骨祖细胞(determined osteogenic precursor cells, DOPC)密集处分离培养出成骨细胞,经体外扩增并与载体结合,回植体内骨缺损处取得骨缺损修复的成功[1]。与此同时,基于对患者易接受性、可操作性和更简单易行性等方面的考虑,研究者又开始把目光投向诱导性骨祖细胞(inducible os......


  骨缺损(尤其是大型骨缺损)的治疗,由局部伤情复杂和缺乏理想的修复材料,一直是困扰临床医生和基础医学工作者的一大难题,而寻找一种尽可能达到或接近自体骨移植效果的理想的骨替代材料更是无数学者热切探索、孜孜以求的目标。近年来日趋活跃的骨组织工程(bone tissue engineering)技术为这一课题的研究带来了新的亮点和希望。目前动物实验已能从骨膜、骨髓等定向性骨祖细胞(determined osteogenic precursor cells, DOPC)密集处分离培养出成骨细胞,经体外扩增并与载体结合,回植体内骨缺损处取得骨缺损修复的成功[1]。与此同时,基于对患者易接受性、可操作性和更简单易行性等方面的考虑,研究者又开始把目光投向诱导性骨祖细胞(inducible osteogenic precursor cells, IOPC)。其中,在体内分布广泛、数量巨大、部位表浅、取材方便、培养传代易行、分裂增殖迅速的成纤维细胞首先成为了研究的焦点。由于目前许多相关研究尚处于实验阶段,为此,本文着重就成纤维细胞的生物学特性及其成骨作用等作一综述。

  1 成纤维细胞的来源及其生物学特性

  成纤维细胞(fibroblast)是结缔组织中最常见的细胞,由胚胎时期的间充质细胞(mesenchymal cell)分化而来。在结缔组织中,成纤维细胞还以其成熟状态—纤维细胞(fibrocyte)的形式存在,二者在一定条件下可以互相转变。

  不同类型的结缔组织含成纤维细胞的数量不同。通常,疏松结缔组织中成纤维细胞的数量比同样体积的致密结缔组织中所含成纤维细胞的数量要少,故分离培养成纤维细胞多以真皮等致密结缔组织为取材部位[2,3]。

  成纤维细胞形态多样,常见的有梭形、大多角形和扁平星形等,其形态尚可依细胞的功能变化及其附着处的物理性状不同而发生改变。成纤维细胞胞体较大,胞质弱嗜碱性,胞核较大呈椭圆形,染色质疏松着色浅,核仁明显。电镜下,其胞质可见丰富的粗面内质网、游离核糖体和发达的高尔基复合体,表明它具有合成和分泌蛋白质的功能。成纤维细胞尚可合成和分泌胶原纤维、弹性纤维、网状纤维及有机基质。它合成的前胶原蛋白分子经内切酶作用,聚合和重排,可形成与成骨细胞合成分泌的胶原原纤维一样具有64nm(640?)周期横纹的胶原原纤维,胶原原纤维经互相粘合形成胶原纤维。经检测,这两种细胞合成分泌的胶原纤维均是Ⅰ型胶原纤维,在形态和生化结构上完全相同[4,5]。

  处于成熟期或称静止状态的成纤维细胞,胞体变小,呈长梭形,粗面内质网和高尔基复合体均不发达,被称为纤维细胞。在外伤等因素刺激下,部分纤维细胞可重新转变为幼稚的成纤维细胞,其功能活动也得以恢复,参与组织损伤后的修复。另外,在结缔组织中,仍保留着少量具有分化潜能的间充质细胞,它们在创伤修复等情况下可增殖分化为成纤维细胞。

  2 成纤维细胞在一般创伤修复中的表现

  各种创伤均会造成不同程度的细胞变性、坏死和组织缺损,必须通过细胞增生和细胞间基质的形成来进行组织修复。在此修复过程中,成纤维细胞起着十分重要的作用。以伤口愈合过程为例,成纤维细胞通过有丝分裂大量增殖,并从4~5天或6天开始合成和分泌大量的胶原纤维和基质成分,与新生毛细血管等共同形成肉芽组织,填补伤口组织缺损,为表皮细胞的覆盖创造条件。在伤口愈合中,成纤维细胞主要来源于真皮乳头层的局部成纤维细胞和未分化的间充质细胞,以及血管周围的成纤维细胞和周细胞。内脏损伤时,参与修复过程的成纤维细胞多来自间质和包膜,以及粘膜下或浆膜下层的结缔组织。有人认为创伤愈合过程中伤处聚集的大量成纤维细胞,一方面是由成纤维细胞通过分裂增殖而来,另一方面,更多地是由邻近的间充质细胞、纤维细胞和毛细血管周细胞等演变或游走到伤处。在创伤修复的后期,成纤维细胞通过分泌胶原酶参与修复后组织的改建。在某些病理条件下,以成纤维细胞为主要细胞成分的肉芽组织或增生组织块还可以在非骨组织内发生钙化,引起异位骨化(ectopic ossification)。但对于异位骨化的参与细胞及其机制尚不十分清楚,未分化间充质细胞、成纤维细胞、内皮细胞和毛细血管周细胞等可划归为诱导性骨祖细胞的细胞都有可能参与这一过程[6,8]。

  3 成纤维细胞在骨创伤修复过程中的表现

  最简单和常见的骨创伤即是骨折,其愈合过程须经过炎性反应、清扫、纤维骨痂和骨性骨痂4个阶段[4]。不同阶段参与的细胞主体不同。成纤维细胞从骨折第3天起就出现于骨折局部血肿中[6],骨折后5天即在机化血肿及骨折断端的间隙及其周围大量存在,是参与纤维骨痂阶段的主要细胞成分[4,5]。在此阶段成纤维细胞一方面大量分裂增殖,一方面又合成和分泌大量Ⅰ型胶原,使肉芽组织逐步变成疏松的结缔组织,将骨断端包围起来,形成接合两骨折断端的巨大的纤维骨痂。然而,这种由无数成纤维细胞和丰富的肉芽组织为主体构成的纤维结缔组织却不会演变为在其它组织创伤修复时常见的瘢痕组织,而是通过钙盐结晶在其内部不断沉积,逐渐演变为骨性骨痂,使骨折局部的修复达到骨性愈合,恢复骨组织的结构。此时,骨折愈合部只有骨组织而不再存在成纤维细胞[4,5,9~11]。

  4 成纤维细胞的成骨作用

  成纤维细胞在骨折愈合过程中不同于其它组织创伤修复的表现,以及在某些病理条件下可以参与异位骨化[6,7],使人们对成纤维细胞的分化能力、钙化骨化能力以及在成骨过程中其成骨能力如何发挥、细胞演变的最终归宿如何等等问题产生了浓厚的兴趣。对成纤维细胞成骨能力的研究也正是开始于对骨折愈合过程中成纤维细胞表现的观察。

  对骨折局部骨形成区的电镜观察显示,除了成骨细胞在此发挥成骨作用外,成纤维细胞确实也存在着类似的成骨表现[4,5,9~13]。例如,在其线粒体内可清晰见到钙盐颗粒,部分内质网腔内可见成熟的胶原纤维,分泌到其四周的胶原纤维内可见高密度的钙盐结晶沉积。不仅如此,成纤维细胞还能象成骨细胞一样产生基质小泡并引起小泡内的钙盐沉积。钙化的基质小泡形成丛毛球状的钙球,钙球随后合并、融合为骨组织。以上种种现象表明,成纤维细胞与成骨细胞一样具备提供钙盐沉积及骨形成所必需的条件。在从纤维性骨痂到骨性骨痂的演变过程中,成纤维细胞也随之演变为骨细胞,与成骨细胞的归宿相一致。但二者在演变过程中的表现又不尽相同,主要有以下几点可资鉴别[9,13]:①成纤维细胞及其细胞核均呈不规则的椭圆形或长方形,而成骨细胞及其细胞核则为边缘比较光整的椭圆形;②成纤维细胞均单独存在,细胞之间有众多的胶原纤维相隔,成骨细胞则以连续排列的形式出现;③成纤维细胞的细胞质内溶酶体少见,而成骨细胞的细胞质内则常有溶酶体可见;④成纤维细胞四周的骨组织都由丛毛球状钙球或针状钙盐结晶组成,成骨细胞则都有一面紧贴比较成熟与致密的骨组织;⑤成骨细胞是一个一个地被骨组织(类骨质)包围变为骨细胞,而成纤维细胞则可以是两个或两个以上同时被骨组织包围在一个陷窝内,然后再随着细胞之间基质的钙化而分隔为各占一个骨陷窝。


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