產(chǎn)品分類
Product Category一、介紹
軟骨在面部特征的形式和功能方面起著關(guān)鍵作用。當(dāng)鼻子或耳朵的軟骨因損傷而受損時,它沒有再生的能力。這意味著一旦耳朵或鼻子的軟骨結(jié)構(gòu)被破壞,耳朵或鼻子就會殘缺不全。然后,需要一個重建程序來創(chuàng)建一個具有能夠承受正常機械力的良好3D結(jié)構(gòu)的新框架。實際上,鼻竇或輕微耳缺損的重建常使用耳廓或鼻室間隔軟骨移植物進行。1,2在更廣泛的情況下,可以使用肋軟骨,為收獲提供更多的材料并提供更剛性的支撐。耳、室間隔或肋軟骨可用于重建,但移植材料的可用性通常有限,供體部位的發(fā)病率仍然是一個風(fēng)險。燒傷患者尤其如此,由于突出的位置和薄薄的皮膚覆蓋,他們經(jīng)常遭受鼻子和耳朵的廣泛損傷。1,3,4因此,再生醫(yī)學(xué)為克服這些問題提供了令人興奮的可能性。組織工程領(lǐng)域的新發(fā)展已經(jīng)進入臨床。例如,Yanaga等人進行了幾項臨床實驗,其中從耳朵分離的自體軟骨細(xì)胞中新開發(fā)的軟骨用于耳朵框架重建。2,5隨著對組織工程替代品的日益關(guān)注,我們需要有關(guān)我們正在尋求復(fù)制的組織的結(jié)構(gòu)信息。然而,文獻中關(guān)于各種面部軟骨類型(特別是耳,鼻翼和鼻間隔軟骨)之間的機械特性以及組成和結(jié)構(gòu)差異的數(shù)據(jù)很少。
雖然它們具有共同的胚胎起源,但面部軟骨很快就會根據(jù)其特定的結(jié)構(gòu)功能分化成不同的軟骨亞型。在脊椎動物發(fā)育的早期階段,將成為頭部和頸部的胚胎區(qū)域被短暫地劃分為稱為咽?。≒A)的片段。耳朵具有組合的起源,來自PA1和PA2,它們在6周發(fā)育時形成他的小山丘。最終,這6個小山丘融合在一起形成外耳。6,7PA1進一步向外生長,形成下頜骨突和上頜骨突。后者后來形成額葉突出以及內(nèi)側(cè)和外側(cè)鼻突,其將形成鼻翼,并在最終融合到鼻中隔后形成。8
成熟的耳軟骨由彈性蛋白纖維和膠原束的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)組成,這些膠原束被一層周旋物包圍。這種高彈性蛋白含量使其在面部區(qū)域的各種軟骨亞型中。另一方面,人類鼻子的解剖結(jié)構(gòu)由幾個獨立的結(jié)構(gòu)元素組成。主要部分是鼻中隔,為鼻梁以及鼻外側(cè)和小葉軟骨的兩側(cè)提供支撐,以支持鼻竇。該側(cè)區(qū)域還包括幾個芝麻軟骨和附屬軟骨。與耳軟骨相比,鼻部結(jié)構(gòu)全部由透明軟骨組成。透明軟骨主要由膠原蛋白組成,特別是II型,分為幾個區(qū)域。9
細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)結(jié)構(gòu)及其生化組成對軟骨的機械功能至關(guān)重要。標(biāo)準(zhǔn)生化測定可用于測定主要組織組分的濃度。為了可視化ECM的3D結(jié)構(gòu),多光子激光掃描顯微鏡已被用于其他組織,如關(guān)節(jié)軟骨。10該方法能夠揭示必需的基質(zhì)成分,即軟骨細(xì)胞,膠原蛋白和彈性蛋白纖維,無標(biāo)記,具有亞細(xì)胞分辨率和深度滲透。11
據(jù)報道,面部軟骨類型的僵硬差異很大。由于使用不同的技術(shù)來測量軟骨,因此很難給出一般值。除了具有不同局限性和優(yōu)點的拉伸或壓痕測量外,12辨別機械測試的不同幅度或規(guī)模也很重要。對于大機械性狀的評估,對于維持大形狀很重要,特別是在手術(shù)重建中,已經(jīng)描述了各種技術(shù)。13–16這同樣適用于原子力顯微鏡(AFM),其中對軟骨的表面微觀力學(xué)進行了廣泛的研究。17–19然而,在AFM和粗大機械測試之間,支架細(xì)胞環(huán)境的機械條件對細(xì)胞的行為有重要影響。20因此,它是軟骨充分再生的基礎(chǔ)。21因此,需要深入了解ECM水平上的局部機械性能和結(jié)構(gòu),以便為細(xì)胞分化提供合適的環(huán)境。本研究中使用的設(shè)備允許在更高深度范圍內(nèi)以微米級壓痕,提供有關(guān)不同軟骨亞型的基本機械信息。
了解組織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識對于充分的組織工程至關(guān)重要。從實踐中,外科醫(yī)生熟悉了重建手術(shù)中軟骨的粗機械特征。然而,機械行為基本上是通過細(xì)胞及其周圍結(jié)構(gòu)的復(fù)雜共生在微觀尺度上確定的。
在本文中,我們的目標(biāo)是通過使用新技術(shù)在ECM水平上評估這些參數(shù),在結(jié)構(gòu)和機械水平上提供有關(guān)面部軟骨類型之間差異的基本信息。雖然沒有直接的實際意義,但它也可以為外科醫(yī)生提供新的見解和靈感,通過更好地了解他們所處理的組織的性質(zhì)來優(yōu)化他們的重建工作。隨著再生醫(yī)學(xué)的進步,外科醫(yī)生將達到一個點,這些知識將被證明是無價的。
二、方法
(1)樣品
根據(jù)該機構(gòu)的道德準(zhǔn)則,從10名新鮮冷凍尸體供體(8名男性,2名女性)中收集軟骨樣本,平均年齡為66.5±6年。從每個供體中,用4mm活檢打孔器從耳殼,內(nèi)側(cè)鼻絲軟骨和外側(cè)鼻翼軟骨中取出2個相鄰樣本。樣品在-20°C下運往VU大學(xué)(荷蘭阿姆斯特丹)進行生物力學(xué)和微觀評估,或EMC(荷蘭鹿特丹)進行生化評估。在實驗前解凍樣品,并通過手術(shù)切除剩余的組織和周邊。
(2)凹痕
為了確定機械性能,使用新型商用納米壓痕儀(Piuma;Optics11,荷蘭阿姆斯特丹)。該設(shè)備采用套圈頂懸臂探頭22施加負(fù)載并使用基于光纖的讀數(shù)同時測量壓痕深度(圖1.(圖1A,1A, C)。在此設(shè)置中,使用了直徑為78 μm的球形探頭,能夠在壓痕深度為1至17 μm時施加0.1 μN至7.5 mN的力。在每個系列實驗之前,通過縮進剛性表面并將懸臂彎曲等同于探頭位移來執(zhí)行懸臂彎曲校準(zhǔn)。每個樣品在同一解剖位置上以網(wǎng)格模式縮進10次,測量之間的距離為100μm。由此產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖.(圖1B)1B)使用Oliver和Pharr推導(dǎo)的球形壓頭的數(shù)學(xué)模型進行分析,以確定有效的楊氏模量(E *)。23壓痕協(xié)議經(jīng)過精心優(yōu)化,以最大限度地減少影響測量的粘彈性效應(yīng)(未顯示數(shù)據(jù))。
(3)生化評價
在生化分析之前,測定所有軟骨樣品的濕重,然后在60°C下在木瓜蛋白酶溶液(0.2M Na)中消化過夜2H2采購訂單4, 0.01M 乙二胺四乙酸乙酯2O,250μg/ mL木瓜蛋白酶,5mM L-半胱氨酸,pH 6.0)。
每個木瓜蛋白酶消化的軟骨樣本中測量的DNA量由溴化乙錠(GibcoBR1)測定,使用小牛胸腺DNA(Sigma-Aldrich)作為標(biāo)準(zhǔn)。用分光熒光計(Wallac 1420 Victor 2;Perkin-Elmer,韋爾斯利,馬薩諸塞州),使用消光濾光片(340 nm)和發(fā)射濾光片(590 nm)。
進行1,9-二甲基亞甲基藍(DMMB;pH 3.0)測定以測量每個木瓜蛋白酶消化軟骨樣品中的硫酸糖胺聚糖(GAG)含量。使用VersaMax分光光度計在530和590nm處監(jiān)測DMMB的異色反應(yīng)。以鯊魚硫酸軟骨素C為標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)制造商的說明,使用總膠原蛋白測定法(荷蘭萊頓的QuickZyme Biosciences)測量羥脯氨酸含量以估計膠原蛋白數(shù)量。簡而言之,將木瓜蛋白酶消化物在95°C下用等體積的12M HCl水解18-20小時。使用Prockop和Udenfriend方法(Prockop和Udenfriend,1960)的修飾測量羥脯氨酸含量,并歸一化為樣品濕質(zhì)量。
根據(jù)制造商的說明,使用Fastin彈性蛋白測定(Biocolor,Carrickfergus,UK)測量軟骨樣品的彈性蛋白含量。簡而言之,軟骨樣品在加入試劑盒的染料之前,在100°C下在0.25M草酸中通過3個過夜熱提取循環(huán)轉(zhuǎn)化為水溶性α彈性蛋白。在VersaMax板讀數(shù)器上在513nm處測量吸收。來自牛頸韌帶的α彈性蛋白(由制造商提供)被用作標(biāo)準(zhǔn)。
(4)多光子顯微鏡
軟骨的結(jié)構(gòu)信息是通過多光子激光掃描顯微鏡獲得的,使用來自未處理的軟骨的固有光信號。成像設(shè)置包括商用2光子激光掃描顯微鏡(2PLSM,TriMScope I;Lavision BioTec GmbH)和飛秒激光源(圖2(圖1D)。1激光源為飛秒Ti藍寶石激光器(相干變色龍Ultra II),在800 nm處產(chǎn)生約200 fs脈沖,線性偏振,重復(fù)頻率為80 MHz。激光束通過25×1.N.A.水浸物鏡(尼康A(chǔ)PO LWD)聚焦在軟骨樣品上,橫向分辨率約為0.5μm,軸向分辨率為約2μm。將樣品上的激光功率調(diào)節(jié)在5-50 mW范圍內(nèi),以獲得足夠的信噪比并避免組織光損傷。激光束通過一對振鏡橫向掃描在樣品上。深度掃描是通過用步進電機移動物鏡來完成的。
二次諧波(SHG)和2光子熒光(2PF)光子由膠原(SHG,2PF)和彈性蛋白(2PF)纖維以及細(xì)胞內(nèi)自發(fā)熒光蛋白產(chǎn)生,并在表觀幾何中收集。SHG和2PF光子通過二向色鏡(色度T695lpxrxt)從800nm激發(fā)光子中過濾,然后通過二向色鏡(色度425lp)分成SHG和2PF通道,通過SHG(色度Z400 / 10X)和2PF(色度HQ500 / 140M-2P)的干涉濾光片,并通過高靈敏度GaAsP光電倍增管(Hamamatsu H7422-40)檢測(圖。(圖1E,1E, F)。
使用TriMScope I軟件(“Imspector Pro”)進行數(shù)據(jù)采集,并以16位tiff格式存儲圖像堆棧,并使用“ImageJ”軟件(MacBioPhotonics)進一步處理和分析。
(5)統(tǒng)計分析
使用具有Bonferroni校正的混合模型分析生化差異。組間有效楊氏模量的差異是通過廣義估計方程確定的。為了測量剛度與生化含量之間的相關(guān)性,使用了二元相關(guān)性模型。所有分析均使用SPSS統(tǒng)計軟件版本22進行。P值小于0.05被認(rèn)為是顯著的。
三、結(jié)果
(1)凹痕
壓痕顯示耳軟骨(1.14±0.71 MPa)和鼻間隔軟骨(2.65±1.78 MPa)和鼻竇軟骨(1.26±0.51 MPa)和鼻間隔軟骨(P = 0.005)之間的硬度差異(P = 0.011)(圖。(圖 2)。2).然而,阿拉鼻與耳軟骨的比較顯示沒有顯著差異。每個軟骨類型的硬度在供體之間差異很大(參見圖,補充數(shù)字內(nèi)容1,其中顯示每個軟骨類型的供體之間的硬度差異很大。
(2)生物化學(xué)
鼻軟骨(2.35±1.20 μg/mg干重)中基于DNA含量的細(xì)胞密度顯著高于耳朵軟骨(1.13±0.23 μg/mg干重)或鼻中隔(0.94±0.52 μg/mg干重)(P = 0.005和P = 0.001)(圖。(圖 3A)。3耳軟骨(141.40±27.2μg/mg干重)的彈性蛋白含量明顯高于鼻竇蛋白(60.12±18.35μg/mg干重)和隔膜(17.38±16.71μg/mg干重)(圖.(圖 3B)。3B).軟骨類型間水和膠原蛋白含量無顯著差異(圖.(圖3C)。3在鼻子中,鼻中隔(96.00±23.21μg/mg干重)的GAG含量似乎略高于鼻腔(64.61±30.42μg/mg干重)(圖。(圖3)3D).
根據(jù)軟骨亞型,有效的楊氏模量與細(xì)胞密度,GAG或膠原蛋白含量沒有顯著相關(guān)性。然而,在室間隔軟骨中,彈性蛋白含量低與硬度較高有關(guān)(表(表11).
(3)多光子顯微鏡
在矢狀面的中段對2個供體的軟骨樣本進行成像。生成的SHG和2PF顯微鏡顯示耳軟骨和鼻源軟骨之間存在顯著差異(圖。(圖 4)。4).不僅彈性蛋白纖維(綠色)的缺失明顯,鼻軟骨的一般結(jié)構(gòu)也與耳朵不同。與耳軟骨的致密纖維網(wǎng)絡(luò)相比,來自鼻腔區(qū)域的軟骨提供更彌漫的圖像。軟骨是軟骨細(xì)胞在其細(xì)胞周圍基質(zhì)內(nèi)的團聚物,在兩個供體中都比鼻竇中隔大。
四、討論
據(jù)我們所知,這是第一項比較人類供體中所有3種面部軟骨類型之間的生化,3D結(jié)構(gòu)和機械差異的研究。通過在ECM水平上測量軟骨組成,結(jié)構(gòu)和剛度的差異,我們旨在確定足夠的組織工程所必需的面部軟骨結(jié)構(gòu)的重要方面。
這與軟骨的組織工程有關(guān),軟骨在過去十年中受到了廣泛的關(guān)注。已經(jīng)提出了各種不同的細(xì)胞類型和支架,用于耳骨或鼻軟骨工程。24–29雖然已經(jīng)獲得了有希望的結(jié)果,但大多數(shù)再生組織通常只是原始組織的非常邊緣的替換。這項研究表明,在ECM尺度上,軟骨類型之間存在顯著差異,即使它們在機械性能上相似。
已知耳軟骨的組成與鼻間隔軟骨不同,因為它含有彈性纖維。29我們可以通過生化分析測量鼻軟骨中少量的彈性蛋白。這與新西蘭白兔的一項研究一致,該研究使用免疫組織化學(xué)染色,在耳軟骨基質(zhì)中特異性地發(fā)現(xiàn)了高彈性蛋白含量,而在鼻間隔細(xì)胞周圍區(qū)域僅發(fā)現(xiàn)了中等彈性蛋白含量。30基質(zhì)包含相當(dāng)一部分彈性蛋白的事實表明,這可能為耳軟骨的機械質(zhì)量提供重要的歸因。3
耳窩軟骨和鼻腔軟骨的有效楊氏模量顯著低于鼻中隔軟骨。然而,耳朵和鼻軟骨之間的僵硬在統(tǒng)計學(xué)上沒有差異,盡管彈性蛋白含量有明顯差異。這些發(fā)現(xiàn)與Griffin等人的觀察結(jié)果相符。32誰發(fā)現(xiàn)鼻竇和鼻間隔軟骨之間的硬度差異相似。
在最近的一篇文章中,Nimeskern等人。33探索彈性蛋白如何影響軟骨的機械行為。他們發(fā)現(xiàn)牛透明關(guān)節(jié)軟骨和耳軟骨的粘彈性行為不同,耳軟骨更具彈性,而關(guān)節(jié)軟骨對瞬時負(fù)荷表現(xiàn)出更高的抵抗力。在酶處理以去除彈性蛋白和/或GAG時,他們證明耳軟骨的壓縮機械性能似乎主要是由于彈性蛋白纖維網(wǎng)絡(luò),而這些性能是由關(guān)節(jié)軟骨中的膠原蛋白提供的。此外,GAG對軟骨類型之間機械行為的影響似乎不同:在耳軟骨中,GAG對力學(xué)沒有重大影響,而在關(guān)節(jié)軟骨中,GAG具有明顯的影響。雖然組織不同,但在真皮瘢痕組織中也注意到彈性蛋白的預(yù)期作用與實際機械性能之間的這種明顯差異。34這證明了組織組成在組織的機械功能中的復(fù)雜作用。
軟骨類型之間機械行為的差異不僅可以通過其生化成分確定,還可以通過組織結(jié)構(gòu)來確定。使用多光子激光掃描顯微鏡,可以詳細(xì)描繪不同軟骨類型的3D結(jié)構(gòu)。有趣的是,盡管鼻竇腸炎在外觀上與鼻間隔軟骨非常相似,彈性蛋白含量也很低,但其機械行為與耳軟骨更相似。(參見視頻,補充數(shù)字內(nèi)容2,它在3D堆疊圖像視頻中顯示ala nasi軟骨結(jié)構(gòu)的多光子激光掃描顯微鏡, 并查看視頻,補充數(shù)字內(nèi)容3,它在3D堆疊圖像視頻中顯示隔膜軟骨結(jié)構(gòu)的多光子激光掃描
雖然在一般外觀上相似,但我們觀察到軟骨大小似乎在鼻中隔軟骨和隔膜軟骨之間有所不同。然而,樣本量很小,沒有收集到任何統(tǒng)計證據(jù)來支持這一方面的發(fā)現(xiàn)。
供體變異性很大,并且很難將我們的數(shù)據(jù)與文獻進行一般比較,因為以前沒有進行過在機械,結(jié)構(gòu)和生化方面比較這3種軟骨類型的研究。我們的數(shù)據(jù)與Nimeskern等人的觀察結(jié)果相符。29隔膜軟骨比耳軟骨更硬,含有更高的GAG,但DNA較低,表明細(xì)胞濃度較低。我們的發(fā)現(xiàn)也與Griffin等人進行的一項研究的結(jié)果相匹配。32與鼻中隔相比,測量鼻竇軟骨硬度較低的人。對于組織工程目的,進行壓痕實驗的尺度為細(xì)胞水平上適當(dāng)?shù)闹Ъ軇偠忍峁┝撕芎玫膮⒖?。SHG被證明是在3D中無創(chuàng)地描繪膠原蛋白和彈性蛋白束結(jié)構(gòu)的好工具(參見視頻,補充數(shù)字內(nèi)容4,它在3D堆疊圖像視頻中顯示耳朵軟骨結(jié)構(gòu)的多光子激光掃描顯微鏡。這些信息可以轉(zhuǎn)化為3D打印支架的結(jié)構(gòu)模板,并與力學(xué)和生化內(nèi)容數(shù)據(jù)一起為面部軟骨重建的支架優(yōu)化提供了新的一步。
我們使用高齡捐贈者的軟骨樣本(平均66.5±6歲)。年輕患者的機械行為和組織學(xué)可能因衰老過程中的鈣化和結(jié)構(gòu)變化而有所不同。例如,耳朵在一生中體積持續(xù)擴大,這歸因于衰老過程中彈性纖維的變化。35然而,對于隔膜,Richmon等人。16發(fā)現(xiàn)年齡和性別之間的機械性能沒有顯著差異。雖然樣本來自所有供體的同一解剖位置,但可能發(fā)生了微小的變化。這是一個限制,因為一些研究表明,在單獨的軟骨類型中,含量存在區(qū)域差異。32盡管面部軟骨的定位和作為軟組織支持的可比作用表明相似的特征,但面部軟骨實際上與另一個軟骨*不同。軟骨組織的特定功能,例如,關(guān)節(jié)軟骨的壓迫和耳軟骨的柔韌性,可能需要不同的機械測試方案。我們選擇微壓痕來探索ECM的剛度;關(guān)于我們的發(fā)現(xiàn),也許有必要結(jié)合機械測試才能引發(fā)各種軟骨成分的不同結(jié)構(gòu)作用。在未來,包括宏觀力學(xué)測試可能會很有趣,因為大機械性狀也受到其他因素的影響,如圍鋌和解剖學(xué)形式。15,36
從外科手術(shù)的角度來看,有趣的是,組織組成和機械行為并不總是像預(yù)期的那樣相關(guān)。我們沒有找到阿拉鼻軟骨硬度較低的解釋。它確實支持這樣一種概念,即來自不同來源的組織移植可以作為重建手術(shù)中的結(jié)構(gòu)替代物。使用貝殼組織進行阿拉鼻重建就是一個很好的例子。本文未涉及但需要考慮的其他領(lǐng)域是細(xì)胞相互作用,包括蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝,因為細(xì)胞存活和行為是組織工程和長期成功移植的關(guān)鍵。面部軟骨類型不僅在結(jié)構(gòu)上不同,而且在細(xì)胞含量上也有所不同,這一發(fā)現(xiàn)可能對手術(shù)重建有影響,因為具有較高細(xì)胞濃度的組織在移植時可能需要更豐富的營養(yǎng)環(huán)境。在我們看來,實踐經(jīng)驗和基礎(chǔ)研究知識的融合將證明在一個組織工程迅速成為現(xiàn)實的世界中至關(guān)重要,這是外科醫(yī)生不容忽視的發(fā)展。
了解組織的完整組成,結(jié)構(gòu),機械和生化,對于再生適當(dāng)?shù)闹Ъ墉h(huán)境以進行面部軟骨再生至關(guān)重要。這尤其反映在一個發(fā)現(xiàn)中,盡管其3D結(jié)構(gòu)與鼻中隔軟骨相似,但鼻竇具有與耳軟骨更相似的基質(zhì)硬度。有鑒于此,彈性蛋白的作用仍有待進一步引出,也許我們應(yīng)該質(zhì)疑它的名字在它對組織力學(xué)的貢獻方面是否沒有誤導(dǎo)性。
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