据估计，全球范围内有超4亿人患有膀胱相关疾病[1]。其中，膀胱癌常需要进行膀胱组织切除后重建，间质性/放射性膀胱炎、创伤、狭窄、神经系统疾病等终末期膀胱疾病也需要通过膀胱扩大术减轻尿潴留和排尿压力，降低肾损伤的风险。目前，临床治疗膀胱损伤金标准是胃肠代膀胱术[2-3]。然而，肠黏膜主要功能是吸收水分、电解质以及消化食物，这与膀胱壁的非吸收性上皮差异显著，长期接触尿液会导致黏液过度产生、电解质失衡、代谢紊乱，进而发生结石产生、慢性感染和继发恶性肿瘤等并发症[4]。
组织工程是一个多学科交叉研究领域，旨在制备可恢复、维持或改善组织功能的生物替代物，为膀胱的再生修复提供了一种新的解决方案[5-6]。一个用于替换或增强膀胱壁的理想支架材料，须具备几个特征：① 具有良好的生物相容性，避免移植物导致的炎症和异物反应；② 提供可促进细胞增殖分化的微环境，以实现尿路上皮的屏障功能、平滑肌收缩功能、神经调控功能及快速血管化；③ 支架设计可有效避免潜在的并发症发生，如尿路炎症、结石及纤维化等。
组织工程研究使用的生物材料包括聚合物、无机材料、金属、生物源性材料以及由上述材料组成的复合材料。其中，生物源性材料是天然生物组织经特殊处理形成的再生材料，含有胶原、透明质酸（hyaluronic acid，HA）及脱细胞处理后细胞外基质（extracellular matrix，ECM）等，可为再生组织提供良好的微环境、功能性生长因子以及促进细胞黏附、相互作用的结构域序列，在膀胱组织工程中具有广泛的应用前景[7-8]。现对近年来生物源性材料在膀胱再生修复中的研究进展进行回顾总结，包括生物源性材料种类、构型优化工艺及促组织再生功能化策略，以及生物源性材料应用于膀胱修复重建的相关临床试验研究，以期为生物源性材料的性能优化及临床转化提供参考。
1 不同种类生物源性材料在膀胱再生修复中的应用
经脱细胞处理的天然ECM是最早应用于膀胱再生修复研究的生物源性材料。脱细胞移植物具有显著优势，其天然ECM拓扑结构及各类功能性生长因子，为其响应损伤微环境提供了生物识别的天然模板，有利于组织再生[7-8]。其中小肠黏膜下层（small intestine submucosa，SIS）和膀胱ECM（bladder acellular matrix，BAM）已有较多研究，且已开展临床试验[9]。ECM的组分，如胶原蛋白、HA、壳聚糖等，作为潜在的膀胱支架材料也获得广泛研究[10-11]。此外，丝素蛋白（silk fibroin，SF）是一种天然高分子纤维蛋白，主要从家蚕的蚕丝中提取，具有良好的生物相容性和力学强度，也经常用于膀胱修复重建[12-13]。
1.1 SIS
SIS是对猪小肠进行机械分离、脱脂、酶消化、去垢剂处理、冷冻干燥和辐照灭菌等处理后获得[14]。其具有多孔结构，可为细胞生长、组织再生创造一个仿生三维微环境[15]；含有多种ECM组分，利于血管生成以及细胞迁移、增殖；可提供参与组织形成信号转导的生长因子，从而协助伤口愈合，包括胶原、糖胺聚糖、蛋白聚糖、糖蛋白、肝素和纤维连接蛋白，以及bFGF、EGF、TGF-β、VEGF、IGF-1等功能性生长因子[16-17]。这些生长因子在促进细胞黏附、增殖、定向分化、组织重塑和修复中起着至关重要作用。在组织重塑过程中，植入的SIS逐渐被受体吸收。
SIS是尿路重建实验和临床前模型中研究最多的天然衍生支架之一。体外培养条件下，SIS可以作为膀胱上皮细胞、平滑肌细胞、内皮细胞、周围神经雪旺细胞和MSCs等多种细胞载体[18-20]。大鼠和犬膀胱修复实验表明，单一SIS支架能够激活宿主膀胱细胞的再生能力，减少了将人工操纵的细胞引入宿主的风险[21]。犬膀胱部分切除SIS修复术后的长期随访结果表明，移植物可以被宿主组织重塑和替代。SIS引导修复再生区域膀胱的组织学与天然膀胱组织相似，包括尿路上皮、平滑肌、血管基础结构和周围神经；功能与正常膀胱相似[22]。然而，在相同的临床前模型中，使用SIS进行膀胱增强获得了不一致的结果[23]。这种不一致可能是由于生物衍生材料来源、部位及制备工艺等差异导致[9]。因此，需要对这些变量进行控制、定义和优化，以实现临床研究达到与临床前模型一致的再生修复效果。
1.2 BAM
BAM具有良好的生物相容性和可降解特性，其力学性能适合用于膀胱组织工程。与SIS一样，BAM通常是采用猪膀胱，通过机械、化学和酶消化处理制备[24]。BAM含有完整基底膜和大量胶原蛋白、弹性蛋白、层粘连蛋白和纤维连接蛋白及稳定的力学性能，同时含有多种生长因子，包括VEGF、bFGF、TGF-β1、IGF和EGF等，因此具有促进细胞增殖和分化、血管再生和组织修复的能力[25-27]。BAM已用于修复各种动物膀胱缺损模型，包括大鼠、兔、犬和猪，以评估其在膀胱再生修复中的作用。尽管再生速度存在差异，但大鼠部分膀胱切除修复模型结果表明，BAM可实现膀胱尿路上皮、平滑肌层、血管和神经的再生[28]。
此外，Obara等[29]研究显示，在大鼠神经源性膀胱模型中，使用同种异体BAM修复膀胱时，正常区域尿路上皮、平滑肌和神经细胞能在移植区域重新定植。Urakami等[30]的大鼠神经源性膀胱缺损修复模型证明，同种异体BAM介导的膀胱重建恢复了组织学特征，改善了再生膀胱的顺应性和功能。
1.3 其他
SF作为常用的生物医用材料，具有较高的力学强度、弹性、可延展性和降解可控性[13, 31]。研究人员采用SF成功构建了多种膀胱重建生物材料[31-33]。Xiao等[34]将SF作为支架加固层，制备了一种新型 “三明治”支架材料，其结构包括BAM、SF以及中间含有脂肪MSCs的海藻酸二醛明胶水凝胶。体内大鼠膀胱修复结果显示，该“三明治” 支架可有效改善膀胱纤维化、降低炎症水平，促进膀胱功能恢复。Zhao等[35]开发了一种包括多孔SF网络和致密BAM的双层支架，并用于修复大鼠膀胱部分缺损模型。结果显示致密BAM发挥了屏障功能，而多孔SF网络为细胞增殖和分化提供了良好空间结构，双层支架植入缺损区域后膀胱顺应性逐渐改善，膀胱容量增加50%，长期观察膀胱新生区域没有明显炎症反应，但泌尿结石和神经支配缺失仍是未来研究中亟待解决的问题。
胶原蛋白是ECM主要组成部分，膀胱再生修复研究提示其具有良好的生物相容性和可降解性，可作为膀胱重建支架材料[36]。Leonhäuser等[37]研究了两种结构的Ⅰ/Ⅲ型胶原支架用于膀胱再生修复的效果，其中一种是相对简单的片状平面结构，另一种是复杂的多孔定向结构。组织学染色观察两种结构的胶原支架均具有良好诱导组织再生修复能力，促进了尿路上皮细胞上皮化，同时可以观察到平滑肌细胞生长以及支架降解。
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复。然而，修复术后感染、膀胱穿孔、结石形成等问题阻碍了其进一步临床应用。
2 针对膀胱修复再生的生物源性材料构型优化工艺
支架材料构型优化旨在通过改进支架材料的材料属性、应用形式和制备工艺等，以提升材料性能、拓宽材料应用范围。单纯生物源性材料用于膀胱修复再生往往会导致尿路上皮覆盖不良、降解迅速、输尿管反流、膀胱穿孔和结石形成等问题，因此其构型优化策略成为膀胱组织工程研究热点[40-42]，主要包括表面修饰、凝胶化和3D生物打印等。
2.1 表面修饰
随着人们对组织再生认识的不断加深以及生物材料科学的发展，“功能化原位再生”概念应运而生。该概念简化了传统组织工程中体外细胞操作流程，提供了一种全新的替代治疗途径，增强了临床可操作性。功能化原位再生旨在开发功能特异性支架材料，通过使用添加剂、表面处理、交联或特定支架设计等[43]，响应损伤组织微环境，募集和动员宿主干细胞/祖细胞，利用组织再生能力实现自我修复与重塑[44-45]。生物源性材料表面修饰，应提高修饰活性物质的稳定性，充分发挥其生物学功能；在应用过程中，还要严格评估修饰物质在体内的分布、保留和代谢水平，提高生物相容性和生物安全性；此外还应统一制备过程和功能测定的标准。
bFGF在创面修复和组织再生中起着重要作用。大量研究探索了bFGF递送系统，以保持损伤部位的有效局部浓度。Chen等[46]将bFGF通过化学交联方式结合到BAM（BAM/bFGF），实现了bFGF有效控释，促进人成纤维细胞体外增殖；基于大鼠膀胱重建模型研究结果显示，BAM/bFGF组织再生修复效果优于单纯BAM。原花青素（proanthocyanidins，PC）是一种天然生物交联剂，具有抗钙化、抗炎、抗氧化等特性。前期我们通过生物交联的方式制备了PC-SIS用于膀胱缺损修复，体外实验表明交联使SIS具有优异的力学性能和抗钙化性能，促进平滑肌细胞黏附和功能基因表达；兔膀胱缺损修复模型证明PC-SIS支架可以促进原位组织再生修复，特别是平滑肌重塑和膀胱功能的重建[47]。生物交联的PC-SIS支架为功能性膀胱重建提供了一种具有应用前景的材料。Sharma等[48]报道了一种可拉伸、更柔顺、更坚固的脱细胞ECM（decellularized extracellular matrix，dECM），研究结果显示该材料可用于大鼠缺损膀胱再生修复，可形成完整的尿路上皮、固有层、血管和平滑肌肌束。dECM增强的可拉伸性、顺应性和酶解稳定性使其更适合用于修复泌尿系统，有利于组织再生。
2.2 凝胶化
水凝胶是高度亲水性的三维网络，能在水中迅速膨胀[49]，以及具有含水量高、结构柔软、良好生物相容性和生物降解性的特点。此外，它们的自我修复特性使其可用于组织再生[50]。水凝胶在角膜再生、创面愈合和糖尿病创面愈合方面取得了一定成功[51-52]。不同类型的生物源性材料可以通过生物、化学和酶处理等方式制备水凝胶。
由硫代透明质酸和DMSO制备的可注射水凝胶对治疗环磷酰胺引起的出血性膀胱炎非常有效[53]。这种可注射凝胶即使在存在尿液浸润情况下也能保持结构稳定性，注射后膀胱组织中促炎因子IL-1β、IL-6和TNF-α浓度显著降低。此外，这种水凝胶还能增强上皮细胞的抗氧化能力[54]。Cheng等[55]采用骨膜蛋白-甲基丙烯酰明胶（periostin-gelatin methacryloyl，P-GelMA）可注射颗粒状水凝胶作为载体，将重组骨膜蛋白转运至膀胱用于治疗间质性膀胱炎。结果显示重组骨膜蛋白诱导导致Wnt4上调和AKT信号通路激活，共同激活了β-catenin信号通路，推动尿上皮干细胞增殖，同时诱导巨噬细胞增殖并分化为M2亚型，这一过程促进了膀胱上皮的重建。然而，上述研究并未评估修复后膀胱的生理功能，今后的研究可从这方面考虑，综合评价支架材料的有效性。
2.3 3D生物打印
与其他组织工程技术相比，在理论上采用3D生物打印可以构建近似模拟器官和组织的解剖结构。3D生物打印优势主要体现在以下三方面：① 3D生物打印支架具有合适的孔径、孔隙率和孔间连通性，有利于种子细胞的黏附、生长和分化；② 3D生物打印支架通过促进细胞-细胞和细胞-基质相互作用加强细胞间“Crosstalk”，为宿主细胞定植提供更适合的生长环境；③ 3D生物打印可能解决组织工程移植物血管生成问题[56-57]。
针对膀胱部位的组织环境特点，研究人员使用一种新型微生物打印平台，通过尿道在膀胱植入部位进行原位体内生物打印，这种方法利用了机体内部环境优势，将盆腔作为一个天然的生物反应器，可达到促进血管生成、减少纤维化反应的目标。微型膀胱内3D生物打印是一个有应用前景的膀胱重建方式[58]，生物源性材料可作为3D打印墨水，但仍需要进一步研究来解决其生物和机械性能之间的平衡问题。此外，还需要探索提高生物源性材料可印刷性的各种物理和化学方法[59]。
3 生物源性材料促膀胱组织功能化再生策略
膀胱壁由尿路上皮、固有层、肌层和浆膜层组成。理想的支架材料应提供可促进细胞增殖分化的微环境，以实现尿路上皮屏障功能、平滑肌收缩功能、神经调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发挥功能的重要结构。在组织损伤修复中，早期上皮快速再生具有重要意义，若上皮再生缓慢或不完全，易导致组织钙化、纤维化等；相反，如果上皮异常增生，则有可能诱发肿瘤[60]。平滑肌损伤后再生能力较差，特别是肌纤维完全破坏时，损伤区域被纤维瘢痕替代，会影响其原有功能[61]。因此，如何实现快速上皮化、调控平滑肌再生是实现肌性器官功能性再生的关键问题。
Gholami等[62]通过制备dECM包被的聚乳酸（polylactic acid，PLLA）纳米纤维支架，研究了改性静电纺丝PLLA支架的膀胱再生修复潜能。在PLLA纳米纤维表面进行涂层处理，可以提高细胞黏附和增殖能力。组织学和免疫组织化学评价显示，dECM包被的PLLA支架材料促进了细胞-基质相互作用和体内上皮/平滑肌重塑。干细胞被认为是加速材料再细胞化和功能化的一种有前途的策略[47]。为实现尿源性干细胞的原位捕获，我们通过抗体修饰策略开发了一种抗CD29抗体偶联的SIS支架（AC-SIS），该支架具有干细胞捕获能力和良好生物相容性，体内修复实验证明其能促进膀胱上皮细胞快速愈合和平滑肌再生[20]。内源性干细胞捕获支架为开发有效、安全的促膀胱上皮和平滑肌再生材料提供了新途径。
3.2 血管化策略
对于任何重建手术，支架内充足血供对移植物存活和器官结构、功能重建至关重要。因此，促进血管生成和血管发生是组织工程支架的关键属性。通常通过在培养基中加入促血管生成因子或具有生物活性的分子对支架进行修饰，以实现血管网络快速恢复。此外，使用3D生物打印技术来设计和生成血管网络也是一种选择[63-64]。
体外构造具有毛细血管网络的组织实现预血管化，有利于植入时与宿主组织的功能吻合，特别是对于较厚和较大的移植物，体内血管生成速度往往不足以应对体内缺氧条件导致的组织坏死。建议支架材料构造与宿主血管系统相连的微血管结构，以确保细胞可获得足够的氧气和营养物质[65-67]。然而，模拟自然血管结构和重建微血管网络仍然是一个巨大挑战。为了增强SIS促进血管生成的能力，Cohen等[67]使用HA-聚乳酸-羟基乙酸共聚物 ［Poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］ 纳米颗粒修饰SIS后用于膀胱修复。HA和PLGA 纳米颗粒通过非共价静电力形成表面共轭物后，将SIS和HA-PLGA纳米颗粒孵育过夜得到HA-PLGA-SIS，将其用于修复犬部分膀胱缺损模型，术后10周可见修复区大量CD31阳性血管形成。
3.3 神经调控策略
组织工程膀胱的神经支配恢复是最具挑战性问题之一[1]，对于恢复膀胱尿液储存和排尿生理功能至关重要，为实现排尿反射动态反应需要重建神经支配。然而，神经再生是一个非常复杂过程，需要特定条件才能完成。
Comez等[68]首先开始组织工程膀胱神经再生的研究，研究对象是海藻酸丙二醇酯（propylene glycol alginate，PGA）和PGA/壳聚糖构建的“三明治”支架，其中PGA用作细胞载体，壳聚糖支持神经元附着和分化。膀胱移植物植入大鼠6个月期间，观察到PGA支架中的壳聚糖有助于引导神经元进入移植物。Adamowicz等[69]报道了一种新型导电生物复合材料，其为石墨烯和羊膜制备的电刺激响应材料，采用中央羊膜层、两侧石墨烯层的“三明治”结构构建。体外实验显示在石墨烯网格引导下，尿源性干细胞排列成方形模式，平滑肌细胞在表面形成均匀细胞层，与此同时石墨烯层的存在显著提高了材料导电性，体外电场刺激下平滑肌细胞的生长和线性排列增加，并可观察到石墨烯层介导平滑肌细胞在电场刺激下的收缩反应。尽管对膀胱壁再生修复进行了广泛研究，但只有少量研究致力于建立膀胱壁神经支配的机制，并且现有支架材料仍难以完全重建膀胱神经支配。
4 生物源性材料临床研究
目前市面上仍没有膀胱组织工程支架产品，由于技术限制和相关研究结果不稳定，将其应用于临床仍面临着严峻挑战，需要进一步研究明确安全性和有效性。
目前，膀胱组织再生修复临床研究尚无满意结果。过去几十年临床试验结果表明，膀胱再生重建中使用塑料模具、明胶海绵和冻干人硬脑膜均存在不同程度并发症[70-71]。新生膀胱出现明显纤维化，随着时间推移而发生收缩，其他常见并发症还包括膀胱输尿管反流、上尿路扩张、感染、结石和尿漏。迄今为止，SIS是膀胱修复再生临床研究应用最多的生物源性材料。一项5例应用SIS进行膀胱扩张的膀胱外翻患者临床初步应用结果表明，6个月时膀胱容量和顺应性增加了30%，18个月时保持稳定[72]。Schaefer等[73]对6例因先天性和神经系统异常进行膀胱增强术患儿进行了回顾性研究，术后30个月随访发现，因SIS较早降解，导致4例患儿尿路上皮和膀胱壁不规则，2例尿路上皮正常，但膀胱顺应性改善不足；此外也观察到膀胱破裂和尿路结石等严重并发症。研究表明，SIS来源部位不同，其再生特性也存在差异，远端肠段（回肠）来源SIS效果优于近端肠段（空肠）SIS，此外SIS制备工艺也可能是膀胱再生修复结果存在差异的原因[9]。SIS临床长期随访结果显示膀胱容量和顺应性较差，难以获得显著临床效果，构型优化工艺及功能化策略可能有利于优化材料性能，改善SIS移植物临床研究效果。
5 结论与展望
膀胱再生修复的组织工程技术旨在通过增加膀胱容量、降低膀胱压力、改善顺应性来重建膀胱功能，目前的生物技术正在努力探索一种能够模仿自然膀胱结构、生物力学和生理的理想生物材料（表1）。生物源性材料具有广阔发展前景，构型优化方法可以增强材料特性，提供更好的机械适应性和组织相容性；此外，复合细胞策略等功能化再生策略有利于膀胱修复重建。虽然生物源性材料在膀胱再生修复中取得了进展，但仍有一系列问题亟待明确。
表1
不同种类生物源性材料在膀胱再生修复中的应用研究
Table1.
Application of different bio-derived materials in bladder regeneration and repair
近年来，支架材料介导免疫反应促进组织再生成为一种新策略，生物源性材料具有低免疫原性特性，应结合单细胞测序、ATAC-seq测序等技术深入探究低免疫原性的机制，为免疫介导的生物源性材料设计提供新靶点；另一方面，体外组织工程，如器官芯片、类器官发展，有助于深刻理解生物源性材料介导膀胱组织再生的细胞演变规律和再生过程，且器官芯片和类器官与生物源性材料复合用于膀胱组织再生修复也是一种有前景的策略。但由于生物源性材料尚无统一制备标准，缺乏成功的临床经验，材料的长期保存和运输仍然存在问题，生物源性膀胱组织工程移植物从实验室到临床应用仍然存在巨大挑战。
利益冲突 文章撰写过程中不存在利益冲突；经费支持没有影响文章观点及其报道
作者贡献声明 张秀珍：综述构思及设计、文献查阅及文章撰写；王家玮：资料整合；解慧琪：论文审阅及修改
据估计，全球范围内有超4亿人患有膀胱相关疾病[1]。其中，膀胱癌常需要进行膀胱组织切除后重建，间质性/放射性膀胱炎、创伤、狭窄、神经系统疾病等终末期膀胱疾病也需要通过膀胱扩大术减轻尿潴留和排尿压力，降低肾损伤的风险。目前，临床治疗膀胱损伤金标准是胃肠代膀胱术[2-3]。然而，肠黏膜主要功能是吸收水分、电解质以及消化食物，这与膀胱壁的非吸收性上皮差异显著，长期接触尿液会导致黏液过度产生、电解质失衡、代谢紊乱，进而发生结石产生、慢性感染和继发恶性肿瘤等并发症[4]。
组织工程是一个多学科交叉研究领域，旨在制备可恢复、维持或改善组织功能的生物替代物，为膀胱的再生修复提供了一种新的解决方案[5-6]。一个用于替换或增强膀胱壁的理想支架材料，须具备几个特征：① 具有良好的生物相容性，避免移植物导致的炎症和异物反应；② 提供可促进细胞增殖分化的微环境，以实现尿路上皮的屏障功能、平滑肌收缩功能、神经调控功能及快速血管化；③ 支架设计可有效避免潜在的并发症发生，如尿路炎症、结石及纤维化等。
组织工程研究使用的生物材料包括聚合物、无机材料、金属、生物源性材料以及由上述材料组成的复合材料。其中，生物源性材料是天然生物组织经特殊处理形成的再生材料，含有胶原、透明质酸（hyaluronic acid，HA）及脱细胞处理后细胞外基质（extracellular matrix，ECM）等，可为再生组织提供良好的微环境、功能性生长因子以及促进细胞黏附、相互作用的结构域序列，在膀胱组织工程中具有广泛的应用前景[7-8]。现对近年来生物源性材料在膀胱再生修复中的研究进展进行回顾总结，包括生物源性材料种类、构型优化工艺及促组织再生功能化策略，以及生物源性材料应用于膀胱修复重建的相关临床试验研究，以期为生物源性材料的性能优化及临床转化提供参考。
1 不同种类生物源性材料在膀胱再生修复中的应用
经脱细胞处理的天然ECM是最早应用于膀胱再生修复研究的生物源性材料。脱细胞移植物具有显著优势，其天然ECM拓扑结构及各类功能性生长因子，为其响应损伤微环境提供了生物识别的天然模板，有利于组织再生[7-8]。其中小肠黏膜下层（small intestine submucosa，SIS）和膀胱ECM（bladder acellular matrix，BAM）已有较多研究，且已开展临床试验[9]。ECM的组分，如胶原蛋白、HA、壳聚糖等，作为潜在的膀胱支架材料也获得广泛研究[10-11]。此外，丝素蛋白（silk fibroin，SF）是一种天然高分子纤维蛋白，主要从家蚕的蚕丝中提取，具有良好的生物相容性和力学强度，也经常用于膀胱修复重建[12-13]。
1.1 SIS
SIS是对猪小肠进行机械分离、脱脂、酶消化、去垢剂处理、冷冻干燥和辐照灭菌等处理后获得[14]。其具有多孔结构，可为细胞生长、组织再生创造一个仿生三维微环境[15]；含有多种ECM组分，利于血管生成以及细胞迁移、增殖；可提供参与组织形成信号转导的生长因子，从而协助伤口愈合，包括胶原、糖胺聚糖、蛋白聚糖、糖蛋白、肝素和纤维连接蛋白，以及bFGF、EGF、TGF-β、VEGF、IGF-1等功能性生长因子[16-17]。这些生长因子在促进细胞黏附、增殖、定向分化、组织重塑和修复中起着至关重要作用。在组织重塑过程中，植入的SIS逐渐被受体吸收。
SIS是尿路重建实验和临床前模型中研究最多的天然衍生支架之一。体外培养条件下，SIS可以作为膀胱上皮细胞、平滑肌细胞、内皮细胞、周围神经雪旺细胞和MSCs等多种细胞载体[18-20]。大鼠和犬膀胱修复实验表明，单一SIS支架能够激活宿主膀胱细胞的再生能力，减少了将人工操纵的细胞引入宿主的风险[21]。犬膀胱部分切除SIS修复术后的长期随访结果表明，移植物可以被宿主组织重塑和替代。SIS引导修复再生区域膀胱的组织学与天然膀胱组织相似，包括尿路上皮、平滑肌、血管基础结构和周围神经；功能与正常膀胱相似[22]。然而，在相同的临床前模型中，使用SIS进行膀胱增强获得了不一致的结果[23]。这种不一致可能是由于生物衍生材料来源、部位及制备工艺等差异导致[9]。因此，需要对这些变量进行控制、定义和优化，以实现临床研究达到与临床前模型一致的再生修复效果。
1.2 BAM
BAM具有良好的生物相容性和可降解特性，其力学性能适合用于膀胱组织工程。与SIS一样，BAM通常是采用猪膀胱，通过机械、化学和酶消化处理制备[24]。BAM含有完整基底膜和大量胶原蛋白、弹性蛋白、层粘连蛋白和纤维连接蛋白及稳定的力学性能，同时含有多种生长因子，包括VEGF、bFGF、TGF-β1、IGF和EGF等，因此具有促进细胞增殖和分化、血管再生和组织修复的能力[25-27]。BAM已用于修复各种动物膀胱缺损模型，包括大鼠、兔、犬和猪，以评估其在膀胱再生修复中的作用。尽管再生速度存在差异，但大鼠部分膀胱切除修复模型结果表明，BAM可实现膀胱尿路上皮、平滑肌层、血管和神经的再生[28]。
此外，Obara等[29]研究显示，在大鼠神经源性膀胱模型中，使用同种异体BAM修复膀胱时，正常区域尿路上皮、平滑肌和神经细胞能在移植区域重新定植。Urakami等[30]的大鼠神经源性膀胱缺损修复模型证明，同种异体BAM介导的膀胱重建恢复了组织学特征，改善了再生膀胱的顺应性和功能。
1.3 其他
SF作为常用的生物医用材料，具有较高的力学强度、弹性、可延展性和降解可控性[13, 31]。研究人员采用SF成功构建了多种膀胱重建生物材料[31-33]。Xiao等[34]将SF作为支架加固层，制备了一种新型 “三明治”支架材料，其结构包括BAM、SF以及中间含有脂肪MSCs的海藻酸二醛明胶水凝胶。体内大鼠膀胱修复结果显示，该“三明治” 支架可有效改善膀胱纤维化、降低炎症水平，促进膀胱功能恢复。Zhao等[35]开发了一种包括多孔SF网络和致密BAM的双层支架，并用于修复大鼠膀胱部分缺损模型。结果显示致密BAM发挥了屏障功能，而多孔SF网络为细胞增殖和分化提供了良好空间结构，双层支架植入缺损区域后膀胱顺应性逐渐改善，膀胱容量增加50%，长期观察膀胱新生区域没有明显炎症反应，但泌尿结石和神经支配缺失仍是未来研究中亟待解决的问题。
胶原蛋白是ECM主要组成部分，膀胱再生修复研究提示其具有良好的生物相容性和可降解性，可作为膀胱重建支架材料[36]。Leonhäuser等[37]研究了两种结构的Ⅰ/Ⅲ型胶原支架用于膀胱再生修复的效果，其中一种是相对简单的片状平面结构，另一种是复杂的多孔定向结构。组织学染色观察两种结构的胶原支架均具有良好诱导组织再生修复能力，促进了尿路上皮细胞上皮化，同时可以观察到平滑肌细胞生长以及支架降解。
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复。然而，修复术后感染、膀胱穿孔、结石形成等问题阻碍了其进一步临床应用。
2 针对膀胱修复再生的生物源性材料构型优化工艺
支架材料构型优化旨在通过改进支架材料的材料属性、应用形式和制备工艺等，以提升材料性能、拓宽材料应用范围。单纯生物源性材料用于膀胱修复再生往往会导致尿路上皮覆盖不良、降解迅速、输尿管反流、膀胱穿孔和结石形成等问题，因此其构型优化策略成为膀胱组织工程研究热点[40-42]，主要包括表面修饰、凝胶化和3D生物打印等。
2.1 表面修饰
随着人们对组织再生认识的不断加深以及生物材料科学的发展，“功能化原位再生”概念应运而生。该概念简化了传统组织工程中体外细胞操作流程，提供了一种全新的替代治疗途径，增强了临床可操作性。功能化原位再生旨在开发功能特异性支架材料，通过使用添加剂、表面处理、交联或特定支架设计等[43]，响应损伤组织微环境，募集和动员宿主干细胞/祖细胞，利用组织再生能力实现自我修复与重塑[44-45]。生物源性材料表面修饰，应提高修饰活性物质的稳定性，充分发挥其生物学功能；在应用过程中，还要严格评估修饰物质在体内的分布、保留和代谢水平，提高生物相容性和生物安全性；此外还应统一制备过程和功能测定的标准。
bFGF在创面修复和组织再生中起着重要作用。大量研究探索了bFGF递送系统，以保持损伤部位的有效局部浓度。Chen等[46]将bFGF通过化学交联方式结合到BAM（BAM/bFGF），实现了bFGF有效控释，促进人成纤维细胞体外增殖；基于大鼠膀胱重建模型研究结果显示，BAM/bFGF组织再生修复效果优于单纯BAM。原花青素（proanthocyanidins，PC）是一种天然生物交联剂，具有抗钙化、抗炎、抗氧化等特性。前期我们通过生物交联的方式制备了PC-SIS用于膀胱缺损修复，体外实验表明交联使SIS具有优异的力学性能和抗钙化性能，促进平滑肌细胞黏附和功能基因表达；兔膀胱缺损修复模型证明PC-SIS支架可以促进原位组织再生修复，特别是平滑肌重塑和膀胱功能的重建[47]。生物交联的PC-SIS支架为功能性膀胱重建提供了一种具有应用前景的材料。Sharma等[48]报道了一种可拉伸、更柔顺、更坚固的脱细胞ECM（decellularized extracellular matrix，dECM），研究结果显示该材料可用于大鼠缺损膀胱再生修复，可形成完整的尿路上皮、固有层、血管和平滑肌肌束。dECM增强的可拉伸性、顺应性和酶解稳定性使其更适合用于修复泌尿系统，有利于组织再生。
2.2 凝胶化
水凝胶是高度亲水性的三维网络，能在水中迅速膨胀[49]，以及具有含水量高、结构柔软、良好生物相容性和生物降解性的特点。此外，它们的自我修复特性使其可用于组织再生[50]。水凝胶在角膜再生、创面愈合和糖尿病创面愈合方面取得了一定成功[51-52]。不同类型的生物源性材料可以通过生物、化学和酶处理等方式制备水凝胶。
由硫代透明质酸和DMSO制备的可注射水凝胶对治疗环磷酰胺引起的出血性膀胱炎非常有效[53]。这种可注射凝胶即使在存在尿液浸润情况下也能保持结构稳定性，注射后膀胱组织中促炎因子IL-1β、IL-6和TNF-α浓度显著降低。此外，这种水凝胶还能增强上皮细胞的抗氧化能力[54]。Cheng等[55]采用骨膜蛋白-甲基丙烯酰明胶（periostin-gelatin methacryloyl，P-GelMA）可注射颗粒状水凝胶作为载体，将重组骨膜蛋白转运至膀胱用于治疗间质性膀胱炎。结果显示重组骨膜蛋白诱导导致Wnt4上调和AKT信号通路激活，共同激活了β-catenin信号通路，推动尿上皮干细胞增殖，同时诱导巨噬细胞增殖并分化为M2亚型，这一过程促进了膀胱上皮的重建。然而，上述研究并未评估修复后膀胱的生理功能，今后的研究可从这方面考虑，综合评价支架材料的有效性。
2.3 3D生物打印
与其他组织工程技术相比，在理论上采用3D生物打印可以构建近似模拟器官和组织的解剖结构。3D生物打印优势主要体现在以下三方面：① 3D生物打印支架具有合适的孔径、孔隙率和孔间连通性，有利于种子细胞的黏附、生长和分化；② 3D生物打印支架通过促进细胞-细胞和细胞-基质相互作用加强细胞间“Crosstalk”，为宿主细胞定植提供更适合的生长环境；③ 3D生物打印可能解决组织工程移植物血管生成问题[56-57]。
针对膀胱部位的组织环境特点，研究人员使用一种新型微生物打印平台，通过尿道在膀胱植入部位进行原位体内生物打印，这种方法利用了机体内部环境优势，将盆腔作为一个天然的生物反应器，可达到促进血管生成、减少纤维化反应的目标。微型膀胱内3D生物打印是一个有应用前景的膀胱重建方式[58]，生物源性材料可作为3D打印墨水，但仍需要进一步研究来解决其生物和机械性能之间的平衡问题。此外，还需要探索提高生物源性材料可印刷性的各种物理和化学方法[59]。
3 生物源性材料促膀胱组织功能化再生策略
膀胱壁由尿路上皮、固有层、肌层和浆膜层组成。理想的支架材料应提供可促进细胞增殖分化的微环境，以实现尿路上皮屏障功能、平滑肌收缩功能、神经调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发挥功能的重要结构。在组织损伤修复中，早期上皮快速再生具有重要意义，若上皮再生缓慢或不完全，易导致组织钙化、纤维化等；相反，如果上皮异常增生，则有可能诱发肿瘤[60]。平滑肌损伤后再生能力较差，特别是肌纤维完全破坏时，损伤区域被纤维瘢痕替代，会影响其原有功能[61]。因此，如何实现快速上皮化、调控平滑肌再生是实现肌性器官功能性再生的关键问题。
Gholami等[62]通过制备dECM包被的聚乳酸（polylactic acid，PLLA）纳米纤维支架，研究了改性静电纺丝PLLA支架的膀胱再生修复潜能。在PLLA纳米纤维表面进行涂层处理，可以提高细胞黏附和增殖能力。组织学和免疫组织化学评价显示，dECM包被的PLLA支架材料促进了细胞-基质相互作用和体内上皮/平滑肌重塑。干细胞被认为是加速材料再细胞化和功能化的一种有前途的策略[47]。为实现尿源性干细胞的原位捕获，我们通过抗体修饰策略开发了一种抗CD29抗体偶联的SIS支架（AC-SIS），该支架具有干细胞捕获能力和良好生物相容性，体内修复实验证明其能促进膀胱上皮细胞快速愈合和平滑肌再生[20]。内源性干细胞捕获支架为开发有效、安全的促膀胱上皮和平滑肌再生材料提供了新途径。
3.2 血管化策略
对于任何重建手术，支架内充足血供对移植物存活和器官结构、功能重建至关重要。因此，促进血管生成和血管发生是组织工程支架的关键属性。通常通过在培养基中加入促血管生成因子或具有生物活性的分子对支架进行修饰，以实现血管网络快速恢复。此外，使用3D生物打印技术来设计和生成血管网络也是一种选择[63-64]。
体外构造具有毛细血管网络的组织实现预血管化，有利于植入时与宿主组织的功能吻合，特别是对于较厚和较大的移植物，体内血管生成速度往往不足以应对体内缺氧条件导致的组织坏死。建议支架材料构造与宿主血管系统相连的微血管结构，以确保细胞可获得足够的氧气和营养物质[65-67]。然而，模拟自然血管结构和重建微血管网络仍然是一个巨大挑战。为了增强SIS促进血管生成的能力，Cohen等[67]使用HA-聚乳酸-羟基乙酸共聚物 ［Poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］ 纳米颗粒修饰SIS后用于膀胱修复。HA和PLGA 纳米颗粒通过非共价静电力形成表面共轭物后，将SIS和HA-PLGA纳米颗粒孵育过夜得到HA-PLGA-SIS，将其用于修复犬部分膀胱缺损模型，术后10周可见修复区大量CD31阳性血管形成。
3.3 神经调控策略
组织工程膀胱的神经支配恢复是最具挑战性问题之一[1]，对于恢复膀胱尿液储存和排尿生理功能至关重要，为实现排尿反射动态反应需要重建神经支配。然而，神经再生是一个非常复杂过程，需要特定条件才能完成。
Comez等[68]首先开始组织工程膀胱神经再生的研究，研究对象是海藻酸丙二醇酯（propylene glycol alginate，PGA）和PGA/壳聚糖构建的“三明治”支架，其中PGA用作细胞载体，壳聚糖支持神经元附着和分化。膀胱移植物植入大鼠6个月期间，观察到PGA支架中的壳聚糖有助于引导神经元进入移植物。Adamowicz等[69]报道了一种新型导电生物复合材料，其为石墨烯和羊膜制备的电刺激响应材料，采用中央羊膜层、两侧石墨烯层的“三明治”结构构建。体外实验显示在石墨烯网格引导下，尿源性干细胞排列成方形模式，平滑肌细胞在表面形成均匀细胞层，与此同时石墨烯层的存在显著提高了材料导电性，体外电场刺激下平滑肌细胞的生长和线性排列增加，并可观察到石墨烯层介导平滑肌细胞在电场刺激下的收缩反应。尽管对膀胱壁再生修复进行了广泛研究，但只有少量研究致力于建立膀胱壁神经支配的机制，并且现有支架材料仍难以完全重建膀胱神经支配。
4 生物源性材料临床研究
目前市面上仍没有膀胱组织工程支架产品，由于技术限制和相关研究结果不稳定，将其应用于临床仍面临着严峻挑战，需要进一步研究明确安全性和有效性。
目前，膀胱组织再生修复临床研究尚无满意结果。过去几十年临床试验结果表明，膀胱再生重建中使用塑料模具、明胶海绵和冻干人硬脑膜均存在不同程度并发症[70-71]。新生膀胱出现明显纤维化，随着时间推移而发生收缩，其他常见并发症还包括膀胱输尿管反流、上尿路扩张、感染、结石和尿漏。迄今为止，SIS是膀胱修复再生临床研究应用最多的生物源性材料。一项5例应用SIS进行膀胱扩张的膀胱外翻患者临床初步应用结果表明，6个月时膀胱容量和顺应性增加了30%，18个月时保持稳定[72]。Schaefer等[73]对6例因先天性和神经系统异常进行膀胱增强术患儿进行了回顾性研究，术后30个月随访发现，因SIS较早降解，导致4例患儿尿路上皮和膀胱壁不规则，2例尿路上皮正常，但膀胱顺应性改善不足；此外也观察到膀胱破裂和尿路结石等严重并发症。研究表明，SIS来源部位不同，其再生特性也存在差异，远端肠段（回肠）来源SIS效果优于近端肠段（空肠）SIS，此外SIS制备工艺也可能是膀胱再生修复结果存在差异的原因[9]。SIS临床长期随访结果显示膀胱容量和顺应性较差，难以获得显著临床效果，构型优化工艺及功能化策略可能有利于优化材料性能，改善SIS移植物临床研究效果。
5 结论与展望
膀胱再生修复的组织工程技术旨在通过增加膀胱容量、降低膀胱压力、改善顺应性来重建膀胱功能，目前的生物技术正在努力探索一种能够模仿自然膀胱结构、生物力学和生理的理想生物材料（表1）。生物源性材料具有广阔发展前景，构型优化方法可以增强材料特性，提供更好的机械适应性和组织相容性；此外，复合细胞策略等功能化再生策略有利于膀胱修复重建。虽然生物源性材料在膀胱再生修复中取得了进展，但仍有一系列问题亟待明确。
表1
不同种类生物源性材料在膀胱再生修复中的应用研究
Table1.
Application of different bio-derived materials in bladder regeneration and repair
近年来，支架材料介导免疫反应促进组织再生成为一种新策略，生物源性材料具有低免疫原性特性，应结合单细胞测序、ATAC-seq测序等技术深入探究低免疫原性的机制，为免疫介导的生物源性材料设计提供新靶点；另一方面，体外组织工程，如器官芯片、类器官发展，有助于深刻理解生物源性材料介导膀胱组织再生的细胞演变规律和再生过程，且器官芯片和类器官与生物源性材料复合用于膀胱组织再生修复也是一种有前景的策略。但由于生物源性材料尚无统一制备标准，缺乏成功的临床经验，材料的长期保存和运输仍然存在问题，生物源性膀胱组织工程移植物从实验室到临床应用仍然存在巨大挑战。
利益冲突 文章撰写过程中不存在利益冲突；经费支持没有影响文章观点及其报道
作者贡献声明 张秀珍：综述构思及设计、文献查阅及文章撰写；王家玮：资料整合；解慧琪：论文审阅及修改
