《Biomedical Technology》：Decellularized extracellular matrix: Advanced bioplatforms for functional tissue restoration via innovative decellularization techniques
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本综述系统阐述了脱细胞细胞外基质（dECM）作为组织工程关键生物支架的最新进展。文章详细介绍了dECM的分类（动物器官、植物、细胞来源）、创新制备方法（物理/化学/生物法及其组合）及其在皮肤、骨骼、神经、心脏、肺、肝、肾等组织修复中的前沿应用，重点突出了dECM优越的生物相容性、低免疫原性及模拟天然微环境的能力，为功能性组织恢复提供了创新解决方案。
脱细胞细胞外基质：组织修复的革命性平台
引言
组织工程在过去十年中经历了快速发展，在现代医学中扮演着关键角色，主要用于替换受损器官和组织或增强生理功能。其核心在于创建由活细胞和生物相容性材料组成的三维结构网络。其中，支架至关重要，它提供了支持细胞附着、增殖和分化的结构框架。理想的支架应具备可生物降解、生物相容和机械顺应性等特点。脱细胞细胞外基质技术为解决传统支架的局限性提供了可行方案，在器官和组织再生方面展现出巨大潜力。
dECM的分类
动物器官来源的支架
同种和异种器官或组织来源的dECM是当前研究和应用最广泛的类型。器官来源的dECM通过从动物体内提取器官，并经过一系列脱细胞处理以去除细胞成分和免疫原性物质而制成。保留的ECM成为非免疫原性支架，可为后续的再细胞化提供模拟细胞微环境的三维平台。器官来源的dECM保留了天然ECM结构，如网状机械结构和胶原纤维，以及多种促进细胞生长的生长因子，因此能很好地支持细胞在dECM中的生长。此外，自体器官来源的dECM能有效克服同种异体移植的排斥反应，减少移植部位的局部炎症反应，为组织和器官修复提供了有力策略。dECM保留了原始组织的天然三维结构，同时去除了引发严重排斥的免疫原性细胞和核成分。因此，基于dECM的生物材料被宿主识别为“自身”而非异物，有效减轻了不良免疫反应并抑制过度炎症。
植物来源的支架
目前，动物组织和器官来源的dECM在组织工程中应用最广泛，而植物来源的dECM正成为有前景的替代品。植物细胞主要由细胞壁和原生质体组成，其中植物细胞壁在维持组织形态和促进植物器官形成方面发挥着与动物组织ECM等效的作用。植物细胞壁与动物组织ECM在拓扑结构上具有惊人的相似性，其天然分层的管状网络系统能有效模拟血管网络，为营养物质运输和细胞迁移创造了理想的三维环境。作为长链多糖，纤维素构成了赋予植物组织机械强度和刚度的基本纤维框架。源自天然纤维素的dECM已被证实能支持哺乳动物体细胞体外生长长达12周。值得注意的是，植物物种间巨大的结构多样性使得植物来源的支架能够重现多种组织架构，从而模拟不同的人体器官。
细胞来源的支架
细胞来源的dECM在结构和成分多样性方面具有一定优势。这类支架通过体外培养细胞，不同种类的细胞可以分泌相应的特异性ECM。当分泌大量ECM后，可通过脱细胞技术进行收获和处理，去除细胞成分，同时保留ECM的结构和生化完整性。由此产生的细胞来源的天然ECM支架高度模拟了天然三维微环境，为后续的再细胞化提供了一个高度仿生的平台。这些支架含有弹性蛋白、层粘连蛋白和糖胺聚糖等关键骨架蛋白，这些蛋白不仅能维持细胞结构，还能支持细胞生长和分化，从而增强支架在组织工程应用中的功能性。
dECM的制备方法
dECM通常涉及对整个器官和组织进行脱细胞，即通过物理、化学和生物方法从器官或组织中去除所有细胞及免疫原性物质，只留下完整的ECM结构。目前，组织和器官脱细胞处理没有固定的方案，脱细胞方案很大程度上与组织或器官的特性相关，如物种、年龄以及器官的类型和大小。保留的ECM成分是细胞在支架上重新附着、生长、增殖和分化所必需的。因此，研究人员开发了物理、化学、生物以及三者结合的方法。
物理方法
物理脱细胞法旨在破坏细胞膜并去除细胞内容物，例如超声波、冲击、电击、超临界CO2和冻融循环。近年来，许多研究利用物理方法作为辅助手段来提高脱细胞方案的效率，证明了其在保存ECM完整性方面的可行性和有效性。冻融循环是将器官或组织在-80°C或液氮中冷冻，随后在37°C的缓冲溶液中解冻。冻融循环过程通过在冷冻过程中形成细胞内冰晶结构促进细胞膜破裂，导致细胞膜破裂和细胞内容物从ECM网状结构中更快地脱离。灌注法常用于较大组织或器官的脱细胞，以去除细胞并保留组织的ECM和支架结构。这种方法涉及将插管插入器官的两端，通过其天然血管网络建立灌注通路。然后通过该通路循环脱细胞溶液或酶制剂，以有效去除细胞成分，同时保留ECM和天然组织结构。
化学方法
化学脱细胞是指通过一系列化学试剂破坏细胞结构，包括：高渗和低渗溶液、酸性和碱性溶液、有机溶剂和洗脱剂。洗脱剂通常根据其化学性质分为离子型和非离子型。常见的非离子型洗脱剂是Triton X-100。离子型洗脱剂通过破坏脂质、蛋白质和脱氧核糖核酸之间的相互作用来溶解细胞膜、细胞核和含有遗传物质的细胞内容物，从而去除细胞。酸性和碱性介导的脱细胞是一个利用酸性或碱性溶液通过破坏ECM粘附分子来去除细胞成分的过程。渗透脱细胞利用高渗或低渗溶液通过跨膜渗透压差介导细胞去除，诱导细胞连续肿胀、收缩和最终膜破裂。
生物方法
生物方法主要通过酶（如胰蛋白酶、核酸酶、裂解酶、胶原酶）分解细胞间连接物质或ECM来分离或分离细胞。不同的酶对不同的细胞成分具有特定的降解作用。胰蛋白酶已成为脱细胞的主要酶制剂，通过选择性酶解细胞表面蛋白发挥作用。核酸酶，特别是脱氧核糖核酸酶和核糖核酸酶，构成了另一类关键的脱细胞酶。这些酶通过水解DNA和RNA分子中的磷酸二酯键介导完整的核酸清除。
组合方法
当前的脱细胞方法采用物理、化学和生物方法，每种方法都有其独特的优势和局限性。虽然这些技术可以有效地去除细胞成分，但它们不可避免地会对ECM造成不同程度的损伤。单一方法策略通常不足以实现完全脱细胞，因此需要组合方案以获得最佳结果。现代脱细胞策略通常结合物理、化学和生物方法。组合方案经过广泛优化，可有效去除细胞核和DNA，同时最大限度地减少ECM损伤。
dECM在生物医学中的应用
伤口愈合
皮肤提供必要的屏障保护，并执行关键的调节功能，如维生素D生产、免疫监视和内在组织修复。尽管皮肤在轻微损伤时具有显著的自愈能力，但对于严重伤口，自体移植仍被认为是金标准。dECM通过提供具有生理相关机械性能的三维结构，提供了一个有前景的解决方案。这些支架不仅通过其糖胺聚糖和弹性蛋白成分重现天然组织微环境以促进细胞增殖和分化，而且还作为持续释放促再生生长因子的储存库，共同促进伤口愈合。
骨疾病
骨是脊椎动物肌肉骨骼系统的主要结构组成部分，通过其独特的矿化ECM发挥关键的机械和保护功能。相比之下，骨骼肌具有内在的再生能力，足以修复轻微损伤，但在体积性肌肉丢失的情况下则不足。dECM已成为组织工程中特别有前景的平台，因为它们具有重现天然组织微环境的独特能力。这些支架不仅为细胞再生、增殖和分化提供结构支持，而且还保留了对成骨至关重要的关键生物活性成分，包括共同协调骨细胞发育和功能的关键生长因子和微量元素。
神经重建
dECM已成为神经再生领域的变革性平台，为中枢神经系统修复提供了有前景的解决方案。脊髓损伤是全球发病率持续上升的最具破坏性的神经系统疾病之一，由于大量神经元坏死以及随后运动和感觉功能的永久性丧失。dECM通过维持天然组织结构和保存关键生物活性成分，为神经修复提供了双重再生优势。这些支架不仅在病变部位为内源性和外源性细胞增殖提供了最佳的三维微环境，而且还保留了促进神经干细胞分化和突触发生的基本糖胺聚糖。
心脏再生
心脏是人体的核心血流动力学器官，通过其精确协调的收缩活动 orchestrate 全身的氧气和营养输送。dECM已成为心脏组织工程中特别有前景的生物材料，为心肌修复提供了结构和功能优势。这些支架通过提供天然细胞外基质结构作为缺损填充的理想基质，该结构重现了心肌细胞生长和功能成熟所必需的生理微环境。一个关键的进步在于其保留原始血管网络结构的能力，从而解决了工程组织血管化的持续挑战，同时提高了移植后的移植物存活率。
肺部疾病
在全球范围内导致死亡的呼吸系统疾病中，慢性阻塞性肺病是最常见和最具挑战性的疾病之一。虽然肺移植仍然是晚期肺部病理的唯一治疗选择，但这种方法面临显著的限制，包括严重的供体器官短缺无法满足当前的临床需求。组织工程开创了脱细胞肺支架的发展，作为全器官移植的潜在替代方案。这些工程构建体保持了肺组织的天然三维结构和ECM组成，从而保留了适当的粘弹性和结构完整性等基本生物力学特性。
肝脏再生
肝脏作为身体的主要代谢器官，执行基本的生理功能，包括外源性物质解毒、胆汁合成、糖原储存和血浆蛋白生产。终末期肝衰竭是一种危重医疗状况，尽管有当前的治疗干预，其急性死亡率仍高达60-70%。脱细胞肝支架通过保留器官复杂的三维结构（包括其特征性的血管网络和胆道结构），已成为肝再生的特别有前景的平台。这些支架维持肝脏特异性的ECM成分和生物活性因子，共同支持肝细胞再增殖、血管化和功能恢复。
肾脏恢复
肾脏复杂的结构组织和多功能性为肾脏病学中的再生方法带来了重大挑战。现有的临床方法，如肾移植和透析疗法，在管理日益增长的慢性肾脏疾病和终末期肾衰竭方面效果有限。这一临床需求将肾组织工程推向了再生医学的前沿，脱细胞肾支架作为肾脏重建的一个特别有前景的平台而出现。这些脱细胞基质保留了肾脏的天然三维结构和ECM组成，从而为重新填充肾脏祖细胞（包括肾小管上皮细胞、内皮细胞和间充质干细胞）提供了理想的微环境。
结论
在组织工程中使用的各种支架类型中，源自人类和动物组织或器官的dECM受到了广泛关注。通过物理、化学和生物脱细胞技术，有效去除了细胞成分和免疫原性物质，同时保留了天然的ECM组成和三维结构。获得的dECM紧密模拟了天然细胞微环境，提供了支持细胞附着、增殖、分化以及最终受损组织和器官修复与再生所必需的生物化学和机械线索。dECM优越的生物相容性、低免疫原性以及结构-机械特性的保留显著降低了移植后免疫排斥风险，同时促进了细胞浸润和血管化。尽管存在这些挑战，dECM仍然是具有巨大组织修复和器官再生潜力的高性能生物材料。
