引用本文： 張秀珍, 王家瑋, 解慧琪. 生物源性材料在膀胱再生修復中的研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2024, 38(11): 1299-1306. doi: 10.7507/1002-1892.202404099 復制
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據估計，全球范圍內有超4億人患有膀胱相關疾病[1]。其中，膀胱癌常需要進行膀胱組織切除后重建，間質性/放射性膀胱炎、創傷、狹窄、神經系統疾病等終末期膀胱疾病也需要通過膀胱擴大術減輕尿潴留和排尿壓力，降低腎損傷風險。目前，臨床治療膀胱損傷“金標準”是胃腸代膀胱術[2-3]。然而，腸黏膜主要功能是吸收水分、電解質以及消化食物，這與膀胱壁的非吸收性上皮差異顯著，長期接觸尿液會導致黏液過度產生、電解質失衡、代謝紊亂，進而發生結石產生、慢性感染和繼發惡性腫瘤等并發癥[4]。
組織工程是一個多學科交叉研究領域，旨在制備可恢復、維持或改善組織功能的生物替代物，為膀胱的再生修復提供了一種新的解決方案[5-6]。一個用于替換或增強膀胱壁的理想支架材料須具備以下特征：① 具有良好生物相容性，避免移植物導致的炎癥和異物反應；② 提供可促進細胞增殖分化的微環境，以實現尿路上皮的屏障功能、平滑肌收縮功能、神經調控功能及快速血管化；③ 支架設計可有效避免潛在的并發癥發生，如尿路炎癥、結石及纖維化等。
組織工程研究使用的生物材料包括聚合物、無機材料、金屬、生物源性材料以及由上述材料組成的復合材料。其中，生物源性材料是天然生物組織經特殊處理形成的再生材料，含有膠原、透明質酸（hyaluronic acid，HA）及脫細胞處理后細胞外基質（extracellular matrix，ECM）等，可為再生組織提供良好的微環境、功能性生長因子以及促進細胞黏附、相互作用的結構域序列，在膀胱組織工程中具有廣泛的應用前景[7-8]。現對近年來生物源性材料在膀胱再生修復中的研究進展進行回顧總結，包括生物源性材料種類、構型優化工藝及促組織再生功能化策略，以及生物源性材料應用于膀胱修復重建的相關臨床試驗研究，以期為生物源性材料的性能優化及臨床轉化提供參考。
1 不同種類生物源性材料在膀胱再生修復中的應用
經脫細胞處理的天然ECM是最早應用于膀胱再生修復研究的生物源性材料。脫細胞移植物具有顯著優勢，其天然ECM拓撲結構及各類功能性生長因子，為其響應損傷微環境提供了生物識別的天然模板，有利于組織再生[7-8]。其中小腸黏膜下層（small intestine submucosa，SIS）和膀胱ECM（bladder ECM，BAM）已有較多研究，且已開展臨床試驗[9]。ECM的組分，如膠原蛋白、HA、殼聚糖等，作為潛在的膀胱支架材料也獲得廣泛研究[10-11]。此外，絲素蛋白（silk fibroin，SF）是一種天然高分子纖維蛋白，主要從家蠶的蠶絲中提取，具有良好的生物相容性和力學強度，也經常用于膀胱修復重建[12-13]。
1.1 SIS
SIS是對豬小腸進行機械分離、脫脂、酶消化、去垢劑處理、冷凍干燥和輻照滅菌等處理后獲得[14]。SIS具有多孔結構，可為細胞生長、組織再生創造一個仿生三維微環境[15]；其含有多種ECM組分，利于血管生成以及細胞遷移、增殖；可提供參與組織形成信號轉導的生長因子，從而協助傷口愈合，包括膠原、糖胺聚糖、蛋白聚糖、糖蛋白、肝素和纖維連接蛋白，以及bFGF、EGF、TGF-β、VEGF、IGF-1等功能性生長因子[16-17]。這些生長因子在促進細胞黏附、增殖、定向分化、組織重塑和修復中起著至關重要的作用。在組織重塑過程中，植入的SIS逐漸被受體吸收。
SIS是尿路重建實驗和臨床前模型中研究最多的天然衍生支架之一。體外培養條件下，SIS可以作為膀胱上皮細胞、平滑肌細胞、內皮細胞、周圍神經雪旺細胞和MSCs等多種細胞載體[18-20]。大鼠和犬膀胱修復實驗表明，單一SIS支架能夠激活宿主膀胱細胞的再生能力，減少了將人工操縱的細胞引入宿主的風險[21]。犬膀胱部分切除SIS修復術后的長期隨訪結果表明，移植物可以被宿主組織重塑和替代。SIS引導修復再生區域膀胱的組織學與天然膀胱組織相似，包括尿路上皮、平滑肌、血管基礎結構和周圍神經；功能與正常膀胱相似[22]。然而，在相同的臨床前模型中，使用SIS進行膀胱增強獲得了不一致的結果[23]。這種不一致可能是由于生物衍生材料來源、部位及制備工藝等差異導致[9]。因此，需要對這些變量進行控制、定義和優化，以實現臨床研究達到與臨床前模型一致的再生修復效果。
1.2 BAM
BAM具有良好的生物相容性和可降解特性，其力學性能適合用于膀胱組織工程。與SIS一樣，BAM通常是采用豬膀胱，通過機械、化學和酶消化處理制備[24]。BAM含有完整基底膜和大量膠原蛋白、彈性蛋白、層粘連蛋白和纖維連接蛋白及穩定的力學性能，同時含有多種生長因子，包括VEGF、bFGF、TGF-β1、IGF和EGF等，因此具有促進細胞增殖和分化、血管再生和組織修復的能力[25-27]。BAM已用于修復各種動物膀胱缺損模型，包括大鼠、兔、犬和豬，以評估其在膀胱再生修復中的作用。盡管再生速度存在差異，但大鼠部分膀胱切除修復模型結果表明，BAM可實現膀胱尿路上皮、平滑肌層、血管和神經的再生[28]。
此外，Obara等[29]研究顯示，在大鼠神經源性膀胱模型中，使用同種異體BAM修復膀胱時，正常區域尿路上皮、平滑肌和神經細胞能在移植區域重新定植。Urakami等[30]的大鼠神經源性膀胱缺損修復模型證明，同種異體BAM介導的膀胱重建恢復了組織學特征，改善了再生膀胱的順應性和功能。
1.3 其他
SF作為常用的生物醫用材料，具有較高的力學強度、彈性、可延展性和降解可控性[13, 31]。研究人員采用SF成功構建了多種膀胱重建生物材料[31-33]。Xiao等[34]將SF作為支架加固層，制備了一種新型 “三明治”支架材料，其結構包括BAM、SF以及中間含有脂肪MSCs的海藻酸二醛明膠水凝膠。大鼠體內膀胱修復結果顯示，該“三明治” 支架可有效改善膀胱纖維化、降低炎癥水平，促進膀胱功能恢復。Zhao等[35]開發了一種包括多孔SF網絡和致密BAM的雙層支架，用于修復大鼠膀胱部分缺損模型。結果顯示致密BAM發揮了屏障功能，而多孔SF網絡為細胞增殖和分化提供了良好空間結構，雙層支架植入缺損區域后膀胱順應性逐漸改善，膀胱容量增加50%，長期觀察膀胱新生區域沒有明顯炎癥反應，但泌尿結石和神經支配缺失仍是未來研究中亟待解決的問題。
膠原蛋白是ECM主要組成部分，膀胱再生修復研究提示其具有良好的生物相容性和可降解性，可作為膀胱重建支架材料[36]。Leonh?user等[37]研究了兩種結構的Ⅰ/Ⅲ型膠原支架用于膀胱再生修復效果，其中一種是相對簡單的片狀平面結構，另一種是復雜的多孔定向結構。組織學染色觀察顯示兩種結構膠原支架均具有良好誘導組織再生修復能力，促進了尿路上皮細胞上皮化，同時可以觀察到平滑肌細胞生長以及支架降解。
此外，其他生物源性材料，如HA和海藻酸[38-39]，也被用于膀胱再生修復。然而，修復術后感染、膀胱穿孔、結石形成等問題阻礙了其進一步臨床應用。
2 針對膀胱修復再生的生物源性材料構型優化工藝
支架材料構型優化旨在通過改進支架材料的材料屬性、應用形式和制備工藝等，以提升材料性能、拓寬材料應用范圍。單純生物源性材料用于膀胱修復再生往往會導致尿路上皮覆蓋不良、降解迅速、輸尿管反流、膀胱穿孔和結石形成等問題，因此其構型優化策略成為膀胱組織工程研究熱點[40-42]，主要包括表面修飾、凝膠化和3D生物打印等。
2.1 表面修飾
隨著人們對組織再生認識的不斷加深以及生物材料科學的發展，“功能化原位再生”概念應運而生。該概念簡化了傳統組織工程中體外細胞操作流程，提供了一種全新的替代治療途徑，增強了臨床可操作性。功能化原位再生旨在開發功能特異性支架材料，通過使用添加劑、表面處理、交聯或特定支架設計等[43]，響應損傷組織微環境，募集和動員宿主干細胞/祖細胞，利用組織再生能力實現自我修復與重塑[44-45]。生物源性材料表面修飾，應提高修飾活性物質的穩定性，充分發揮其生物學功能；在應用過程中，還要嚴格評估修飾物質在體內的分布、保留和代謝水平，提高生物相容性和生物安全性；此外還應統一制備過程和功能測定的標準。
bFGF在創面修復和組織再生中起著重要作用。大量研究探索了bFGF遞送系統，以保持損傷部位的有效局部濃度。Chen等[46]將bFGF通過化學交聯方式結合到BAM（BAM/bFGF），實現了bFGF有效控釋，促進人成纖維細胞體外增殖；基于大鼠膀胱重建模型研究結果顯示，BAM/bFGF組織再生修復效果優于單純BAM。原花青素（proanthocyanidins，PC）是一種天然生物交聯劑，具有抗鈣化、抗炎、抗氧化等特性。前期我們通過生物交聯的方式制備了PC-SIS用于膀胱缺損修復，體外實驗表明交聯使SIS具有優異的力學性能和抗鈣化性能，促進平滑肌細胞黏附和功能基因表達；兔膀胱缺損修復模型證明PC-SIS支架可以促進原位組織再生修復，特別是平滑肌重塑和膀胱功能的重建[47]。生物交聯的PC-SIS支架為功能性膀胱重建提供了一種具有應用前景的材料。Sharma等[48]報道了一種可拉伸、更柔順、更堅固的脫細胞ECM（decellularized extracellular matrix，dECM），研究結果顯示該材料可用于大鼠缺損膀胱再生修復，可形成完整的尿路上皮、固有層、血管和平滑肌肌束。dECM增強的可拉伸性、順應性和酶解穩定性使其更適合用于修復泌尿系統，有利于組織再生。
2.2 凝膠化
水凝膠是高度親水性的三維網絡，能在水中迅速膨脹[49]，以及具有含水量高、結構柔軟、良好生物相容性和生物降解性的特點。此外，它們的自我修復特性使其可用于組織再生[50]。水凝膠在角膜再生、創面愈合和糖尿病創面愈合方面取得了一定成功[51-52]。不同類型的生物源性材料可以通過生物、化學和酶處理等方式制備水凝膠。
由硫代透明質酸和DMSO制備的可注射水凝膠對治療環磷酰胺引起的出血性膀胱炎非常有效[53]。這種可注射凝膠即使在存在尿液浸潤情況下也能保持結構穩定性，注射后膀胱組織中促炎因子IL-1β、IL-6和TNF-α濃度顯著降低。此外，這種水凝膠還能增強上皮細胞的抗氧化能力[54]。Chen等[55]采用骨膜蛋白-甲基丙烯酰明膠（periostin-gelatin methacryloyl，P-GelMA）可注射顆粒狀水凝膠作為載體，將重組骨膜蛋白轉運至膀胱用于治療間質性膀胱炎。結果顯示重組骨膜蛋白誘導導致Wnt4上調和AKT信號通路激活，共同激活了β-catenin信號通路，推動尿上皮干細胞增殖，同時誘導巨噬細胞增殖并分化為M2亞型，這一過程促進了膀胱上皮的重建。然而，上述研究并未評估修復后膀胱的生理功能，今后的研究可從這方面考慮，綜合評價支架材料的有效性。
2.3 3D生物打印
與其他組織工程技術相比，在理論上采用3D生物打印可以構建近似模擬器官和組織的解剖結構。3D生物打印優勢主要體現在以下三方面：① 3D生物打印支架具有合適的孔徑、孔隙率和孔間連通性，有利于種子細胞的黏附、生長和分化；② 3D生物打印支架通過促進細胞-細胞和細胞-基質相互作用加強細胞間“Crosstalk”，為宿主細胞定植提供更適合的生長環境；③ 3D生物打印可能解決組織工程移植物血管生成問題[56-57]。
針對膀胱部位的組織環境特點，研究人員使用一種新型微生物打印平臺，通過尿道在膀胱植入部位進行原位體內生物打印，這種方法利用了機體內部環境優勢，將盆腔作為一個天然的生物反應器，可達到促進血管生成、減少纖維化反應的目標。微型膀胱內3D生物打印是一個有應用前景的膀胱重建方式[58]，生物源性材料可作為3D打印墨水，但仍需要進一步研究來解決其生物和機械性能之間的平衡問題。此外，還需要探索提高生物源性材料可印刷性的各種物理和化學方法[59]。
3 生物源性材料促膀胱組織功能化再生策略
膀胱壁由尿路上皮、固有層、肌層和漿膜層組成。理想的支架材料應提供可促進細胞增殖分化的微環境，以實現尿路上皮屏障功能、平滑肌收縮功能、神經調控功能及快速血管化。
3.1 上皮/平滑肌功能化再生策略
上皮和平滑肌是支持肌性器官發揮功能的重要結構。在組織損傷修復中，早期上皮快速再生具有重要意義，若上皮再生緩慢或不完全，易導致組織鈣化、纖維化等；相反，如果上皮異常增生，則有可能誘發腫瘤[60]。平滑肌損傷后再生能力較差，特別是肌纖維完全破壞時，損傷區域被纖維瘢痕替代，會影響其原有功能[61]。因此，如何實現快速上皮化、調控平滑肌再生是實現肌性器官功能性再生的關鍵問題。
Gholami等[62]通過制備dECM包被的聚左旋乳酸（poly-L-lactic acid，PLLA）納米纖維支架，研究了改性靜電紡絲PLLA支架的膀胱再生修復潛能。在PLLA納米纖維表面進行涂層處理，可以提高細胞黏附和增殖能力。組織學和免疫組織化學評價顯示，dECM包被的PLLA支架材料促進了細胞-基質相互作用和體內上皮/平滑肌重塑。干細胞被認為是加速材料再細胞化和功能化的一種有前途的策略[47]。為實現尿源性干細胞的原位捕獲，我們通過抗體修飾策略開發了一種抗CD29抗體偶聯的SIS支架（AC-SIS），該支架具有干細胞捕獲能力和良好生物相容性，體內修復實驗證明其能促進膀胱上皮細胞快速愈合和平滑肌再生[20]。內源性干細胞捕獲支架為開發有效、安全的促膀胱上皮和平滑肌再生材料提供了新途徑。
3.2 血管化策略
對于任何重建手術，支架內充足血供對移植物存活和器官結構、功能重建至關重要。因此，促進血管生成和血管發生是組織工程支架的關鍵屬性。通常通過在培養基中加入促血管生成因子或具有生物活性的分子對支架進行修飾，以實現血管網絡快速恢復。此外，使用3D生物打印技術來設計和生成血管網絡也是一種選擇[63-64]。
體外構造具有毛細血管網絡的組織實現預血管化，有利于植入時與宿主組織的功能吻合，特別是對于較厚和較大的移植物，體內血管生成速度往往不足以應對體內缺氧條件導致的組織壞死。建議支架材料構造與宿主血管系統相連的微血管結構，以確保細胞可獲得足夠的氧氣和營養物質[65-67]。然而，模擬自然血管結構和重建微血管網絡仍然是一個巨大挑戰。為了增強SIS促進血管生成的能力，Cohen等[67]使用HA和聚乳酸-羥基乙酸共聚物 ［poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］ 納米顆粒修飾SIS后用于膀胱修復。HA和PLGA 納米顆粒通過非共價靜電力形成表面共軛物后，將SIS和HA-PLGA納米顆粒孵育過夜得到HA-PLGA-SIS，將其用于修復犬部分膀胱缺損模型，術后10周可見修復區大量CD31陽性血管形成。
3.3 神經調控策略
組織工程膀胱的神經支配恢復是最具挑戰性問題之一[1]，對于恢復膀胱尿液儲存和排尿生理功能至關重要，為實現排尿反射動態反應需要重建神經支配。然而，神經再生是一個非常復雜的過程，需要特定條件才能完成。
Gomez-Amaya等[68]首先開始組織工程膀胱神經再生的研究，研究對象是海藻酸丙二醇酯（propylene glycol alginate，PGA）和PGA/殼聚糖構建的“三明治”支架，其中PGA用作細胞載體，殼聚糖支持神經元附著和分化。膀胱移植物植入大鼠6個月期間，觀察到PGA支架中的殼聚糖有助于引導神經元進入移植物。Adamowicz等[69]報道了一種新型導電生物復合材料，其為石墨烯和羊膜制備的電刺激響應材料，采用中央羊膜層、兩側石墨烯層的“三明治”結構構建。體外實驗顯示在石墨烯網格引導下，尿源性干細胞排列成方形模式，平滑肌細胞在表面形成均勻細胞層，與此同時石墨烯層的存在顯著提高了材料導電性，體外電場刺激下平滑肌細胞的生長和線性排列增加，并可觀察到石墨烯層介導平滑肌細胞在電場刺激下的收縮反應。盡管對膀胱壁再生修復進行了廣泛研究，但只有少量研究致力于建立膀胱壁神經支配的機制，并且現有支架材料仍難以完全重建膀胱神經支配。
4 生物源性材料臨床研究
目前市面上仍沒有膀胱組織工程支架產品，由于技術限制和相關研究結果不穩定，將其應用于臨床仍面臨著嚴峻挑戰，需要進一步研究明確安全性和有效性。
目前，膀胱組織再生修復臨床研究尚無滿意結果。過去幾十年臨床試驗結果表明，膀胱再生重建中使用塑料模具、明膠海綿和凍干人硬腦膜均存在不同程度并發癥[70-71]。新生膀胱出現明顯纖維化，隨著時間推移而發生收縮，其他常見并發癥還包括膀胱輸尿管反流、上尿路擴張、感染、結石和尿漏。迄今為止，SIS是膀胱修復再生臨床研究應用最多的生物源性材料。一項5例應用SIS進行膀胱擴張的膀胱外翻患者臨床初步應用結果表明，6個月時膀胱容量和順應性增加了30%，18個月時保持穩定[72]。Schaefer等[73]對6例因先天性和神經系統異常進行膀胱增強術患兒進行了回顧性研究，術后30個月隨訪發現，因SIS較早降解，導致4例患兒尿路上皮和膀胱壁不規則，2例尿路上皮正常，但膀胱順應性改善不足；此外也觀察到膀胱破裂和尿路結石等嚴重并發癥。研究表明，SIS來源部位不同，其再生特性也存在差異，遠端腸段（回腸）來源SIS效果優于近端腸段（空腸）SIS，此外SIS制備工藝也可能是膀胱再生修復結果存在差異的原因[9]。SIS臨床長期隨訪結果顯示膀胱容量和順應性較差，難以獲得顯著臨床效果，構型優化工藝及功能化策略可能有利于優化材料性能，改善SIS移植物臨床研究效果。
5 結論與展望
膀胱再生修復的組織工程技術旨在通過增加膀胱容量、降低膀胱壓力、改善順應性來重建膀胱功能，目前的生物技術正在努力探索一種能夠模仿自然膀胱結構、生物力學和生理的理想生物材料（表1）。生物源性材料具有廣闊發展前景，構型優化方法可以增強材料特性，提供更好的機械適應性和組織相容性；此外，復合細胞策略等功能化再生策略有利于膀胱修復重建。雖然生物源性材料在膀胱再生修復中取得了進展，但仍有一系列問題亟待明確。
表1
不同種類生物源性材料在膀胱再生修復中的應用研究
Table1.
Application of different bio-derived materials in bladder regeneration and repair
近年來，支架材料介導免疫反應促進組織再生成為一種新策略，生物源性材料具有低免疫原性特性，應結合單細胞測序、ATAC-seq測序等技術深入探究低免疫原性的機制，為免疫介導的生物源性材料設計提供新靶點；另一方面，體外組織工程，如器官芯片、類器官發展，有助于深刻理解生物源性材料介導膀胱組織再生的細胞演變規律和再生過程，且器官芯片和類器官與生物源性材料復合用于膀胱組織再生修復也是一種有前景的策略。但由于生物源性材料尚無統一制備標準，缺乏成功的臨床經驗，材料的長期保存和運輸仍然存在問題，生物源性膀胱組織工程移植物從實驗室到臨床應用仍然存在巨大挑戰。
利益沖突 文章撰寫過程中不存在利益沖突；經費支持沒有影響文章觀點及其報道
作者貢獻聲明 張秀珍：綜述構思及設計、文獻查閱及文章撰寫；王家瑋：資料整合；解慧琪：論文審閱及修改
據估計，全球范圍內有超4億人患有膀胱相關疾病[1]。其中，膀胱癌常需要進行膀胱組織切除后重建，間質性/放射性膀胱炎、創傷、狹窄、神經系統疾病等終末期膀胱疾病也需要通過膀胱擴大術減輕尿潴留和排尿壓力，降低腎損傷風險。目前，臨床治療膀胱損傷“金標準”是胃腸代膀胱術[2-3]。然而，腸黏膜主要功能是吸收水分、電解質以及消化食物，這與膀胱壁的非吸收性上皮差異顯著，長期接觸尿液會導致黏液過度產生、電解質失衡、代謝紊亂，進而發生結石產生、慢性感染和繼發惡性腫瘤等并發癥[4]。
組織工程是一個多學科交叉研究領域，旨在制備可恢復、維持或改善組織功能的生物替代物，為膀胱的再生修復提供了一種新的解決方案[5-6]。一個用于替換或增強膀胱壁的理想支架材料須具備以下特征：① 具有良好生物相容性，避免移植物導致的炎癥和異物反應；② 提供可促進細胞增殖分化的微環境，以實現尿路上皮的屏障功能、平滑肌收縮功能、神經調控功能及快速血管化；③ 支架設計可有效避免潛在的并發癥發生，如尿路炎癥、結石及纖維化等。
組織工程研究使用的生物材料包括聚合物、無機材料、金屬、生物源性材料以及由上述材料組成的復合材料。其中，生物源性材料是天然生物組織經特殊處理形成的再生材料，含有膠原、透明質酸（hyaluronic acid，HA）及脫細胞處理后細胞外基質（extracellular matrix，ECM）等，可為再生組織提供良好的微環境、功能性生長因子以及促進細胞黏附、相互作用的結構域序列，在膀胱組織工程中具有廣泛的應用前景[7-8]。現對近年來生物源性材料在膀胱再生修復中的研究進展進行回顧總結，包括生物源性材料種類、構型優化工藝及促組織再生功能化策略，以及生物源性材料應用于膀胱修復重建的相關臨床試驗研究，以期為生物源性材料的性能優化及臨床轉化提供參考。
1 不同種類生物源性材料在膀胱再生修復中的應用
經脫細胞處理的天然ECM是最早應用于膀胱再生修復研究的生物源性材料。脫細胞移植物具有顯著優勢，其天然ECM拓撲結構及各類功能性生長因子，為其響應損傷微環境提供了生物識別的天然模板，有利于組織再生[7-8]。其中小腸黏膜下層（small intestine submucosa，SIS）和膀胱ECM（bladder ECM，BAM）已有較多研究，且已開展臨床試驗[9]。ECM的組分，如膠原蛋白、HA、殼聚糖等，作為潛在的膀胱支架材料也獲得廣泛研究[10-11]。此外，絲素蛋白（silk fibroin，SF）是一種天然高分子纖維蛋白，主要從家蠶的蠶絲中提取，具有良好的生物相容性和力學強度，也經常用于膀胱修復重建[12-13]。
1.1 SIS
SIS是對豬小腸進行機械分離、脫脂、酶消化、去垢劑處理、冷凍干燥和輻照滅菌等處理后獲得[14]。SIS具有多孔結構，可為細胞生長、組織再生創造一個仿生三維微環境[15]；其含有多種ECM組分，利于血管生成以及細胞遷移、增殖；可提供參與組織形成信號轉導的生長因子，從而協助傷口愈合，包括膠原、糖胺聚糖、蛋白聚糖、糖蛋白、肝素和纖維連接蛋白，以及bFGF、EGF、TGF-β、VEGF、IGF-1等功能性生長因子[16-17]。這些生長因子在促進細胞黏附、增殖、定向分化、組織重塑和修復中起著至關重要的作用。在組織重塑過程中，植入的SIS逐漸被受體吸收。
SIS是尿路重建實驗和臨床前模型中研究最多的天然衍生支架之一。體外培養條件下，SIS可以作為膀胱上皮細胞、平滑肌細胞、內皮細胞、周圍神經雪旺細胞和MSCs等多種細胞載體[18-20]。大鼠和犬膀胱修復實驗表明，單一SIS支架能夠激活宿主膀胱細胞的再生能力，減少了將人工操縱的細胞引入宿主的風險[21]。犬膀胱部分切除SIS修復術后的長期隨訪結果表明，移植物可以被宿主組織重塑和替代。SIS引導修復再生區域膀胱的組織學與天然膀胱組織相似，包括尿路上皮、平滑肌、血管基礎結構和周圍神經；功能與正常膀胱相似[22]。然而，在相同的臨床前模型中，使用SIS進行膀胱增強獲得了不一致的結果[23]。這種不一致可能是由于生物衍生材料來源、部位及制備工藝等差異導致[9]。因此，需要對這些變量進行控制、定義和優化，以實現臨床研究達到與臨床前模型一致的再生修復效果。
1.2 BAM
BAM具有良好的生物相容性和可降解特性，其力學性能適合用于膀胱組織工程。與SIS一樣，BAM通常是采用豬膀胱，通過機械、化學和酶消化處理制備[24]。BAM含有完整基底膜和大量膠原蛋白、彈性蛋白、層粘連蛋白和纖維連接蛋白及穩定的力學性能，同時含有多種生長因子，包括VEGF、bFGF、TGF-β1、IGF和EGF等，因此具有促進細胞增殖和分化、血管再生和組織修復的能力[25-27]。BAM已用于修復各種動物膀胱缺損模型，包括大鼠、兔、犬和豬，以評估其在膀胱再生修復中的作用。盡管再生速度存在差異，但大鼠部分膀胱切除修復模型結果表明，BAM可實現膀胱尿路上皮、平滑肌層、血管和神經的再生[28]。
此外，Obara等[29]研究顯示，在大鼠神經源性膀胱模型中，使用同種異體BAM修復膀胱時，正常區域尿路上皮、平滑肌和神經細胞能在移植區域重新定植。Urakami等[30]的大鼠神經源性膀胱缺損修復模型證明，同種異體BAM介導的膀胱重建恢復了組織學特征，改善了再生膀胱的順應性和功能。
1.3 其他
SF作為常用的生物醫用材料，具有較高的力學強度、彈性、可延展性和降解可控性[13, 31]。研究人員采用SF成功構建了多種膀胱重建生物材料[31-33]。Xiao等[34]將SF作為支架加固層，制備了一種新型 “三明治”支架材料，其結構包括BAM、SF以及中間含有脂肪MSCs的海藻酸二醛明膠水凝膠。大鼠體內膀胱修復結果顯示，該“三明治” 支架可有效改善膀胱纖維化、降低炎癥水平，促進膀胱功能恢復。Zhao等[35]開發了一種包括多孔SF網絡和致密BAM的雙層支架，用于修復大鼠膀胱部分缺損模型。結果顯示致密BAM發揮了屏障功能，而多孔SF網絡為細胞增殖和分化提供了良好空間結構，雙層支架植入缺損區域后膀胱順應性逐漸改善，膀胱容量增加50%，長期觀察膀胱新生區域沒有明顯炎癥反應，但泌尿結石和神經支配缺失仍是未來研究中亟待解決的問題。
膠原蛋白是ECM主要組成部分，膀胱再生修復研究提示其具有良好的生物相容性和可降解性，可作為膀胱重建支架材料[36]。Leonh?user等[37]研究了兩種結構的Ⅰ/Ⅲ型膠原支架用于膀胱再生修復效果，其中一種是相對簡單的片狀平面結構，另一種是復雜的多孔定向結構。組織學染色觀察顯示兩種結構膠原支架均具有良好誘導組織再生修復能力，促進了尿路上皮細胞上皮化，同時可以觀察到平滑肌細胞生長以及支架降解。
此外，其他生物源性材料，如HA和海藻酸[38-39]，也被用于膀胱再生修復。然而，修復術后感染、膀胱穿孔、結石形成等問題阻礙了其進一步臨床應用。
2 針對膀胱修復再生的生物源性材料構型優化工藝
支架材料構型優化旨在通過改進支架材料的材料屬性、應用形式和制備工藝等，以提升材料性能、拓寬材料應用范圍。單純生物源性材料用于膀胱修復再生往往會導致尿路上皮覆蓋不良、降解迅速、輸尿管反流、膀胱穿孔和結石形成等問題，因此其構型優化策略成為膀胱組織工程研究熱點[40-42]，主要包括表面修飾、凝膠化和3D生物打印等。
2.1 表面修飾
隨著人們對組織再生認識的不斷加深以及生物材料科學的發展，“功能化原位再生”概念應運而生。該概念簡化了傳統組織工程中體外細胞操作流程，提供了一種全新的替代治療途徑，增強了臨床可操作性。功能化原位再生旨在開發功能特異性支架材料，通過使用添加劑、表面處理、交聯或特定支架設計等[43]，響應損傷組織微環境，募集和動員宿主干細胞/祖細胞，利用組織再生能力實現自我修復與重塑[44-45]。生物源性材料表面修飾，應提高修飾活性物質的穩定性，充分發揮其生物學功能；在應用過程中，還要嚴格評估修飾物質在體內的分布、保留和代謝水平，提高生物相容性和生物安全性；此外還應統一制備過程和功能測定的標準。
bFGF在創面修復和組織再生中起著重要作用。大量研究探索了bFGF遞送系統，以保持損傷部位的有效局部濃度。Chen等[46]將bFGF通過化學交聯方式結合到BAM（BAM/bFGF），實現了bFGF有效控釋，促進人成纖維細胞體外增殖；基于大鼠膀胱重建模型研究結果顯示，BAM/bFGF組織再生修復效果優于單純BAM。原花青素（proanthocyanidins，PC）是一種天然生物交聯劑，具有抗鈣化、抗炎、抗氧化等特性。前期我們通過生物交聯的方式制備了PC-SIS用于膀胱缺損修復，體外實驗表明交聯使SIS具有優異的力學性能和抗鈣化性能，促進平滑肌細胞黏附和功能基因表達；兔膀胱缺損修復模型證明PC-SIS支架可以促進原位組織再生修復，特別是平滑肌重塑和膀胱功能的重建[47]。生物交聯的PC-SIS支架為功能性膀胱重建提供了一種具有應用前景的材料。Sharma等[48]報道了一種可拉伸、更柔順、更堅固的脫細胞ECM（decellularized extracellular matrix，dECM），研究結果顯示該材料可用于大鼠缺損膀胱再生修復，可形成完整的尿路上皮、固有層、血管和平滑肌肌束。dECM增強的可拉伸性、順應性和酶解穩定性使其更適合用于修復泌尿系統，有利于組織再生。
2.2 凝膠化
水凝膠是高度親水性的三維網絡，能在水中迅速膨脹[49]，以及具有含水量高、結構柔軟、良好生物相容性和生物降解性的特點。此外，它們的自我修復特性使其可用于組織再生[50]。水凝膠在角膜再生、創面愈合和糖尿病創面愈合方面取得了一定成功[51-52]。不同類型的生物源性材料可以通過生物、化學和酶處理等方式制備水凝膠。
由硫代透明質酸和DMSO制備的可注射水凝膠對治療環磷酰胺引起的出血性膀胱炎非常有效[53]。這種可注射凝膠即使在存在尿液浸潤情況下也能保持結構穩定性，注射后膀胱組織中促炎因子IL-1β、IL-6和TNF-α濃度顯著降低。此外，這種水凝膠還能增強上皮細胞的抗氧化能力[54]。Chen等[55]采用骨膜蛋白-甲基丙烯酰明膠（periostin-gelatin methacryloyl，P-GelMA）可注射顆粒狀水凝膠作為載體，將重組骨膜蛋白轉運至膀胱用于治療間質性膀胱炎。結果顯示重組骨膜蛋白誘導導致Wnt4上調和AKT信號通路激活，共同激活了β-catenin信號通路，推動尿上皮干細胞增殖，同時誘導巨噬細胞增殖并分化為M2亞型，這一過程促進了膀胱上皮的重建。然而，上述研究并未評估修復后膀胱的生理功能，今后的研究可從這方面考慮，綜合評價支架材料的有效性。
2.3 3D生物打印
與其他組織工程技術相比，在理論上采用3D生物打印可以構建近似模擬器官和組織的解剖結構。3D生物打印優勢主要體現在以下三方面：① 3D生物打印支架具有合適的孔徑、孔隙率和孔間連通性，有利于種子細胞的黏附、生長和分化；② 3D生物打印支架通過促進細胞-細胞和細胞-基質相互作用加強細胞間“Crosstalk”，為宿主細胞定植提供更適合的生長環境；③ 3D生物打印可能解決組織工程移植物血管生成問題[56-57]。
針對膀胱部位的組織環境特點，研究人員使用一種新型微生物打印平臺，通過尿道在膀胱植入部位進行原位體內生物打印，這種方法利用了機體內部環境優勢，將盆腔作為一個天然的生物反應器，可達到促進血管生成、減少纖維化反應的目標。微型膀胱內3D生物打印是一個有應用前景的膀胱重建方式[58]，生物源性材料可作為3D打印墨水，但仍需要進一步研究來解決其生物和機械性能之間的平衡問題。此外，還需要探索提高生物源性材料可印刷性的各種物理和化學方法[59]。
3 生物源性材料促膀胱組織功能化再生策略
膀胱壁由尿路上皮、固有層、肌層和漿膜層組成。理想的支架材料應提供可促進細胞增殖分化的微環境，以實現尿路上皮屏障功能、平滑肌收縮功能、神經調控功能及快速血管化。
3.1 上皮/平滑肌功能化再生策略
上皮和平滑肌是支持肌性器官發揮功能的重要結構。在組織損傷修復中，早期上皮快速再生具有重要意義，若上皮再生緩慢或不完全，易導致組織鈣化、纖維化等；相反，如果上皮異常增生，則有可能誘發腫瘤[60]。平滑肌損傷后再生能力較差，特別是肌纖維完全破壞時，損傷區域被纖維瘢痕替代，會影響其原有功能[61]。因此，如何實現快速上皮化、調控平滑肌再生是實現肌性器官功能性再生的關鍵問題。
Gholami等[62]通過制備dECM包被的聚左旋乳酸（poly-L-lactic acid，PLLA）納米纖維支架，研究了改性靜電紡絲PLLA支架的膀胱再生修復潛能。在PLLA納米纖維表面進行涂層處理，可以提高細胞黏附和增殖能力。組織學和免疫組織化學評價顯示，dECM包被的PLLA支架材料促進了細胞-基質相互作用和體內上皮/平滑肌重塑。干細胞被認為是加速材料再細胞化和功能化的一種有前途的策略[47]。為實現尿源性干細胞的原位捕獲，我們通過抗體修飾策略開發了一種抗CD29抗體偶聯的SIS支架（AC-SIS），該支架具有干細胞捕獲能力和良好生物相容性，體內修復實驗證明其能促進膀胱上皮細胞快速愈合和平滑肌再生[20]。內源性干細胞捕獲支架為開發有效、安全的促膀胱上皮和平滑肌再生材料提供了新途徑。
3.2 血管化策略
對于任何重建手術，支架內充足血供對移植物存活和器官結構、功能重建至關重要。因此，促進血管生成和血管發生是組織工程支架的關鍵屬性。通常通過在培養基中加入促血管生成因子或具有生物活性的分子對支架進行修飾，以實現血管網絡快速恢復。此外，使用3D生物打印技術來設計和生成血管網絡也是一種選擇[63-64]。
體外構造具有毛細血管網絡的組織實現預血管化，有利于植入時與宿主組織的功能吻合，特別是對于較厚和較大的移植物，體內血管生成速度往往不足以應對體內缺氧條件導致的組織壞死。建議支架材料構造與宿主血管系統相連的微血管結構，以確保細胞可獲得足夠的氧氣和營養物質[65-67]。然而，模擬自然血管結構和重建微血管網絡仍然是一個巨大挑戰。為了增強SIS促進血管生成的能力，Cohen等[67]使用HA和聚乳酸-羥基乙酸共聚物 ［poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］ 納米顆粒修飾SIS后用于膀胱修復。HA和PLGA 納米顆粒通過非共價靜電力形成表面共軛物后，將SIS和HA-PLGA納米顆粒孵育過夜得到HA-PLGA-SIS，將其用于修復犬部分膀胱缺損模型，術后10周可見修復區大量CD31陽性血管形成。
3.3 神經調控策略
組織工程膀胱的神經支配恢復是最具挑戰性問題之一[1]，對于恢復膀胱尿液儲存和排尿生理功能至關重要，為實現排尿反射動態反應需要重建神經支配。然而，神經再生是一個非常復雜的過程，需要特定條件才能完成。
Gomez-Amaya等[68]首先開始組織工程膀胱神經再生的研究，研究對象是海藻酸丙二醇酯（propylene glycol alginate，PGA）和PGA/殼聚糖構建的“三明治”支架，其中PGA用作細胞載體，殼聚糖支持神經元附著和分化。膀胱移植物植入大鼠6個月期間，觀察到PGA支架中的殼聚糖有助于引導神經元進入移植物。Adamowicz等[69]報道了一種新型導電生物復合材料，其為石墨烯和羊膜制備的電刺激響應材料，采用中央羊膜層、兩側石墨烯層的“三明治”結構構建。體外實驗顯示在石墨烯網格引導下，尿源性干細胞排列成方形模式，平滑肌細胞在表面形成均勻細胞層，與此同時石墨烯層的存在顯著提高了材料導電性，體外電場刺激下平滑肌細胞的生長和線性排列增加，并可觀察到石墨烯層介導平滑肌細胞在電場刺激下的收縮反應。盡管對膀胱壁再生修復進行了廣泛研究，但只有少量研究致力于建立膀胱壁神經支配的機制，并且現有支架材料仍難以完全重建膀胱神經支配。
4 生物源性材料臨床研究
目前市面上仍沒有膀胱組織工程支架產品，由于技術限制和相關研究結果不穩定，將其應用于臨床仍面臨著嚴峻挑戰，需要進一步研究明確安全性和有效性。
目前，膀胱組織再生修復臨床研究尚無滿意結果。過去幾十年臨床試驗結果表明，膀胱再生重建中使用塑料模具、明膠海綿和凍干人硬腦膜均存在不同程度并發癥[70-71]。新生膀胱出現明顯纖維化，隨著時間推移而發生收縮，其他常見并發癥還包括膀胱輸尿管反流、上尿路擴張、感染、結石和尿漏。迄今為止，SIS是膀胱修復再生臨床研究應用最多的生物源性材料。一項5例應用SIS進行膀胱擴張的膀胱外翻患者臨床初步應用結果表明，6個月時膀胱容量和順應性增加了30%，18個月時保持穩定[72]。Schaefer等[73]對6例因先天性和神經系統異常進行膀胱增強術患兒進行了回顧性研究，術后30個月隨訪發現，因SIS較早降解，導致4例患兒尿路上皮和膀胱壁不規則，2例尿路上皮正常，但膀胱順應性改善不足；此外也觀察到膀胱破裂和尿路結石等嚴重并發癥。研究表明，SIS來源部位不同，其再生特性也存在差異，遠端腸段（回腸）來源SIS效果優于近端腸段（空腸）SIS，此外SIS制備工藝也可能是膀胱再生修復結果存在差異的原因[9]。SIS臨床長期隨訪結果顯示膀胱容量和順應性較差，難以獲得顯著臨床效果，構型優化工藝及功能化策略可能有利于優化材料性能，改善SIS移植物臨床研究效果。
5 結論與展望
膀胱再生修復的組織工程技術旨在通過增加膀胱容量、降低膀胱壓力、改善順應性來重建膀胱功能，目前的生物技術正在努力探索一種能夠模仿自然膀胱結構、生物力學和生理的理想生物材料（表1）。生物源性材料具有廣闊發展前景，構型優化方法可以增強材料特性，提供更好的機械適應性和組織相容性；此外，復合細胞策略等功能化再生策略有利于膀胱修復重建。雖然生物源性材料在膀胱再生修復中取得了進展，但仍有一系列問題亟待明確。
表1
不同種類生物源性材料在膀胱再生修復中的應用研究
Table1.
Application of different bio-derived materials in bladder regeneration and repair
近年來，支架材料介導免疫反應促進組織再生成為一種新策略，生物源性材料具有低免疫原性特性，應結合單細胞測序、ATAC-seq測序等技術深入探究低免疫原性的機制，為免疫介導的生物源性材料設計提供新靶點；另一方面，體外組織工程，如器官芯片、類器官發展，有助于深刻理解生物源性材料介導膀胱組織再生的細胞演變規律和再生過程，且器官芯片和類器官與生物源性材料復合用于膀胱組織再生修復也是一種有前景的策略。但由于生物源性材料尚無統一制備標準，缺乏成功的臨床經驗，材料的長期保存和運輸仍然存在問題，生物源性膀胱組織工程移植物從實驗室到臨床應用仍然存在巨大挑戰。
利益沖突 文章撰寫過程中不存在利益沖突；經費支持沒有影響文章觀點及其報道
作者貢獻聲明 張秀珍：綜述構思及設計、文獻查閱及文章撰寫；王家瑋：資料整合；解慧琪：論文審閱及修改
