浅析脂肪组织工程的进展
1 引言脂肪组织是一种非常特殊的结缔组织，以白色脂肪组织和棕色脂肪组织两种形式存在，且在成人体中前者占了大部分。由于年龄的增长或者病理因素导致的白色脂肪组织缺失或损坏要求脂肪再生技术[1,2]。至今，主要有两种策略被用来研究功能性的脂肪组织再生:自体组织/细胞移植[3,4]和脂肪组织工程。但是临床常用的游离脂肪组织移植,由于滞后的新血管化、细胞坏死使得其常面临着移植物再吸收,纤维组织替代和油脂囊肿形成等问题。而作为再生医学的研究热点-脂肪组织工程为解决上述问题提供了可能的途径，更适合脂肪组织再生。
目前脂肪组织工程的构建主要有两种策略：诱导机体自身新生脂肪组织（in situ adipogenesis）和基于种子细胞的脂肪组织构建(de novo adipogenesis)，前者适合小体积的组织缺损，至于大面积的组织缺损则因为对血管形成和体积增大速度要求更高，需要应用到三维支架与填充基质复合物相结合的脂肪组织重建技术。后者是经典意义的脂肪组织工程。科学家Patrick认为脂肪组织工程的重点就是在生物支架材料上建立新的有完整功能的血管化的组织，这至少涉及到三个方面： ①种子细胞，②支架材料，③细胞微环境[5]。本文主要从种子细胞、支架材料和细胞活性因子三个方面做一综述。
2 种子细胞的选择
种子细胞是组织工程中用于重建新生组织的原动力。种子细胞的选择是脂肪组织工程的基础，目前常用的成体干细胞是：骨髓间充质干细胞(BMSCs)和脂肪间充质干细胞（ASCs）[6], 一种干细胞应用于组织工程需要满足以后条件：①达到一定的数量（数百万乃至上亿的细胞）②取材容易，创伤小，③能够分化为多种细胞，④能够安全且有效的转移入同体或者同种异体的宿主中，⑤有着良好的操作规则[7]。ASCs 和BMSCs 有着类似的表面抗原和分化潜能，尽管骨髓的研究已经比较透彻，在临床的应用上更明了，但是ASCs 可能比起BMSCs在脂肪工程上有着更多优势，比如：取材发病率低；临床上干细胞可提取数量多，进而间接的减少了体外培养增殖的代数；脂肪中干细胞所占的百分比较骨髓高(2VS0.002%)；比BMSCs 的增殖速度快[8,9]。另外， ASCs 中含有许多脂肪前体细胞，可能因此导致了它比BMSCs 有着更强的成脂潜能[10]。众多研究者已经证明ASCs 能够用于修复和再生组织。首先，ASCs 能够以旁分泌的方式分泌多种细胞因子和生长因子从而促进组织的修复。ASCs刺激内源性的干细胞富集到修复位置，调节干细胞龛（stem cell niche），促使它们向需求的细胞系分化。其次，ASCs 可以在缺血部位产生抗氧化物、自物由基清除物、陪伴分子/热休克蛋白，有毒物质被释放到周围环境中，即被移除，促进残存细胞的修复。再者有研究表明移植的BMSCs 能够释放新的线粒体到损害的细胞，修复有氧代谢[11]，有可能在ASCs 也存在类似的功能。最后ASCs 能够分化为多种细胞系。
3 支架材料的选择
在组织工程中，支架材料起到细胞外基质的作用，是对细胞外基质的结构和功能的仿生。
生物相容性的支架不仅支持组织的三维重建，还促进植入部位的血管化。因此支架材料应该是可降解的，最后为健康的宿主软组织所取代。设计一种支架材料时有众多因素是需要考虑的，如材料的机械性能，可降解性，生物相容性，临床操作的难易程度以及费用。目前已经有大量的人工合成的或天然来源的材料被应用到脂肪组织工程中。支架分为植入型或注射型两种。如下介绍的几种最近的具有创新性的材料
3.1 天然来源的支架材料
人类的细胞外基质粉末[12]作为注射材料，细胞载体用于脂肪组织工程. 脂肪的细胞外基质含有大量的物质其中包括胶原。通过一个比较简单的外科手术（吸脂作用）就可以获得脂肪。去掉血和油类成分后，脂肪组织经过同质加工处理、离心、冷冻干燥、碾磨成粉末、在体外研究中发现，人类的ECM 粉末对于三维培养时细胞的粘附、增殖是有极大的促进作用的。在体内试验发现将含有hASCs 的人的ECM 粉末的悬浮液皮下注入裸小鼠。注射八周后，观察到移植部位生成大量的血管和新的组织中有脂肪形成，其细胞内有小的脂滴。总而言之，这种移植物展示了极好的脂肪组织结构，没有组织坏死，囊肿和纤维化。可见ECM 在组织工程上作为一种有效的可注射的生物材料，能够满足临床上的再生医学的要求，尤其是在脂肪组织工程上。
3.2 人工合成的支架材料
3.2.1 血管内皮(细胞)生长因子（VEGF）和血管形成素-1（Ang1）固定化修饰的材料
为了设计一种材料能够在体内和体外均能促进血管化。Loraine 等[13]利用1-乙基-3-3-二甲基氨丙基碳化二亚胺盐酸盐（EDC）将血管内皮(细胞)生长因子（VEGF）和血管形成素-1（Ang1）共价固定化在三维材料多孔隙的胶原支架上。在体外的第3 天和第7 天，种植在该种支架材料上的上皮细胞（ECs）的增殖速度比起未修饰但加入可溶解的生长因子的支架有明显的提高。在第3 天时，VEGF 和Ang1 固定化修饰支架材料的实验组细胞数量更多、乳酸盐的产量更高，葡萄糖的消耗速度也要更快。在第7 天时，苏木精和伊红染色，活细胞与死细胞染色，以及CD31 和血管假性血友病因子染色均显示将ECs 细胞种植在共固定化两种生长因子的支架材料上有着更多的血管形成。有趣的是，比起单独只是固定化其中一种生长因子的支架材料，共固定化VEGF 和Ang1 的支架材料甚至能够更强的促进EC 侵润到绒毛膜尿囊膜(CAM)中，这个研究表明共价固定化血管原(性)的生长因子比起溶解的相应的生长因子更稳定，且更能促进血管结构的形成和更强的局部效应。
3.2.2 产氧的支架材料
工程组织在临床应用上一直有个挑战就是移植物在体内如何建立血管化。虽然在许多的组织工程系统中，通过添加各种各样的生长因子，血管化应答都有着有效的提高，但是血管发生的速度却很难提高。Se Heang 等研究了产氧生物材料[14]在组织工程上的是否可行，这种材料能够在一定时间内持续的产生氧气。作者检测了产氧的生物材料是否能够在维持细胞活性的同时维持三维结构的完整性。将基于过氧化钙的产氧颗粒混入以聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)为原料的三维支架中。这种支架总共能够产氧10 天，同时有着充分的机械完整。
产氧的支架能够在低氧的环境下提高氧气浓度。再者，这些生物材料还能在低氧的条件下促进细胞的活力。这些发现预示着产氧生物材料可能在植入移植物后新血管形成的同时促进细胞的存活。当前由于氧气渗滤的局限性而限制了大体积组织移植物的工程化，这种支架也许能在组织工程中发挥重要的作用。
3.2.3 聚乙二醇（PEG）水凝胶
脂肪组织工程需要能够促进成脂分化的生物材料。立基于水凝胶的聚乙二醇（PEG）[15]，在不使用自由基起始物的情况下，用胶原酶敏感的肽修饰聚乙二醇胺基，与聚乙二醇琥珀酰亚胺丙酸酯交联。丙氨酸修饰的聚乙二醇胺用来制备不可降解的凝胶。随着聚合物的浓度不同，可降解凝胶的硬度在1708 至 7412 Pa 间，而不可降解凝胶的硬度在1496 至 7686 Pa间。酶介导的凝胶（5%, 10%, 和15%聚合物浓度）降解时间为10 天，16 天和19 天。将种子细胞3T3-L1 前脂肪体细胞种植在该种凝胶上后，这种水凝胶与层粘连蛋白衍生的粘连肽YIGSR 作用，与传统的二维细胞培养模式比较，这种水凝胶能够显著的提高细胞内的甘油三酯的产量。长时间观察发现这种酶可降解的水凝胶能够促进脂肪组织样的结构形成，同时产生大量的成熟白色脂肪细胞。
3.2.4 聚十二盐酸丙三醇酯
（PGD）聚十二盐酸丙三醇酯（PGD）[16]，一种可生物降解的聚酯,以丙三醇和十二烷二酸为原料合成的一种具有热固性的可生物降解的新型材料。这种聚合物具有玻璃转化温度（Tg）约32 度。在室温下PGD 是一种僵硬的有弹性的塑料物质，当达到体温（37 度）时，则是具有非线性弹性性质，综合它的生物可降解性和生物相溶性，PGD 有独特的形状记忆特性。
该种聚合物制备后，无论最终的形态是什么，我们都能通过加热（在32 度或者更高）来改变它的原始形态。它的机械性能、生物相溶性/生物可降解性和形状记忆特性使得PGD 成为一种极具吸引力的生物医学材料。
4 生物活性因子
在脂肪组织工程中，生物活性因子是极为重要的，它们具有促进细胞存活、增殖、分化，和促进宿主细胞迁移分化，以及促进组织血管化等作用。目前在脂肪组织工程中常用的有碱性生长因子(bFGF)[17,18] 、胰岛素（insulin）、胰岛素样生长因子Ⅰ(IGF-1)。随着相关研究的进一步深化，将有更多的生物活性因子用于脂肪组织工程。但是在组织修复和再生过程中，有多种生长因子参与活动的，而不是单一因子在起作用，至于多种因子的有序作用及作用的先后顺序、信号传递通路等尚不清楚。另外，这些因子的给药途及剂量也有待进一步的研究。
5 展望
近年来科研工作者通过采取多种有效策略使脂肪组织工程有了较大发展[19]。如在支架中加入微通道[20]，加入血管原性的生长因子[17,18], 制造血管类似物, 寻求和制造新的生物聚合物材料等。但是尽管如此，距离真正临床应仍然有很多问题没有解决。首先细胞成脂分化的分子机理并不清楚，最近科学家通过正电子发射计算机断层扫描（PET）的医学技术发现在三分之一的受试者中有棕色脂肪[21]。2009 底甚至还发现了棕色脂肪形成的诱导作用[22]。
在最近的一些具有先驱意义的研究中，研究者发现了棕色脂肪分化的途径[23,24,25]。有证据表明棕色脂肪而非白色脂肪在PRDM16 开关的控制下最初来源于肌肉前体细胞[25,26]。如果能将棕色脂肪作为新的组织工程的种子细胞，可能脂肪组织工程又会有新的突破。其次，在体内脂肪分化过程中ECM 的复杂结构和动态组成，人们知之甚少。再者工程化的脂肪组织要应用于临床还需要在大型动物模型中进行长期观察实验，这样才能更好的确定新形成的脂肪在血管化，体型和功能上的稳定性。