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目的:目前组织工程角膜领域的研究仍停留在满足大体形态学要求的水平,如何实现构建产品在功能学水平上的提高,是一个异常困难的问题。本研究旨在制备同时具有良好屏蔽功能、足够力学强度、高度光学透明性并最终满足活体移植要求的组织工程板层角膜。
方法:在前期研究已制备出可充分满足力学和光学要求的脱细胞猪角膜基质支架的基础上,利用该载体含有的蛋白多糖成分预先吸附高浓度EGF和KGF,充分发挥天然基质成分和生长因子对角膜上皮细胞的联合诱导作用,为板层角膜的体外构建提供稳定的细胞外微环境;在此载体上种植自体取材获得的富含角膜缘干细胞的4个lmm直径的角膜缘组织块,体外模拟角膜创伤愈合过程;然后按照角膜生理学特点和不同时期的构建要求,通过时序控制的方式,顺序使用包括浸没培养、连续灌注培养、动态气液界面培养在内的3步丰要流程,实现角膜上皮细胞在构建载体上的有序迁移、增殖、黏附和分化。对于最终构建所获得自体组织工程板层角膜首先进行组织形态学、分化表型、增殖活性和粘附能力的相应检测;然后进行包括跨上皮电阻、体外透光率和应力-应变分析,最后通过新西兰兔板层角膜移植,论证构建角膜的体内整体功能。
结果:构建的板层角膜与天然角膜比较,可形成如生理状态的4~5层活力良好的复层角膜上皮结构,尤其是其基底部细胞具有更为明显的低分化特性,p63,ABCG2表达阳性,K3阴性,克隆形成率可达9.72±3.51%,显著高于天然中央角膜的6.29±1.96%(P<0.05);角膜上皮层的粘附程度较好,可形成明显的紧密连接、桥粒连接和半桥粒连接的超微结构,ZO-1,DSC2和β4含量分别达到天然角膜的93%,89%and73%,而反映其整体屏蔽功能的上皮层膜电阻值,与天然上皮层近似;体外的光学和力学性质与天然角膜比较均无统计学差异(P<0.05)。动物实验证实该ATELC的光学,力学和上皮屏蔽性质满足了活体移植所必需的整体功能学的要求,在20天的观察期内,ATELC在细胞转归和术后修复方面,也与天然自体板层角膜非常类似。
结论:利用脱细胞猪角膜基质和生理模拟培养系统重建的自体组织工程板层角膜表现出良好的整体功能,首次在活体移植水平同时满足了光学、力学和屏蔽功能3个方向的要求,已具有了替代天然板层角膜进行临床应用的可行性。