北大口腔魏世成教授团队《ACS AMI》：功能化微支架水凝胶复合体系通过软骨内骨化路径加速修复骨软骨缺损

2022-11-22 来源：高分子科技

骨是一个能进行有限的自我修复和再生的功能性器官。由创伤、运动损伤或病理因素造成的骨软骨损伤，涉及关节软骨和软骨下骨组织，超过了骨组织自身的修复能力，不能自行愈合，严重影响关节的正常活动，不仅给患者造成巨大的经济和心理负担，给社会带来沉重的经济负担，是一项极具挑战性的临床问题。膜内骨化（Intramembranous ossification，IMO）和软骨内骨化（Endochondral ossification，ECO）是骨器官胚胎发育和骨缺损修复再生的两条途径。目前用于治疗骨缺损的生物材料主要通过 IMO 实现成骨修复，但常因血管化难以建立而导致骨再生不良。从骨发育生理学和临床角度来讲，人体骨骼发育和骨折愈合主要通过 ECO 进行。ECO 通过间充质干细胞聚集成团、分化为软骨细胞，以适应骨缺损处低氧和低血供的局部微环境，并进一步增殖成熟为肥大软骨细胞，分泌血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）诱导血管侵入解决成骨中心区域血供不足的问题，最终转化为成骨细胞分泌骨基质修复骨缺损。因此，基于ECO 构建生物材料是一种更理想的骨缺损修复策略。但是，其临床应用仍然受制于 ECO 复杂的细胞行为和较长的体外细胞诱导周期。

图1. 功能化微支架水凝胶复合体系调控干细胞软骨内骨化行为修复骨软骨缺损示意图

近期，北京大学口腔医学院魏世成教授和张雷主任医师团队在基于软骨内骨化路径的功能化海藻酸钠微支架水凝胶体系修复骨软骨缺损方面取得重要进展（图1）。相关成果以标题“Functionalized Microscaffold?Hydrogel Composites Accelerating Osteochondral Repair through Endochondral Ossification”发表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊。

本文亮点：

（1）制备功能化微支架水凝胶复合体系。海藻酸钠是一种天然来源的阴离子线性多糖聚合物，由 D-甘露糖醛酸（M 单元）和 L-古罗糖醛酸（G 单元）组成。金属二价阳离子如钙离子、锰离子等通过取代 G 单元中的钠离子形成“蛋盒”结构将海藻酸分子链交联并形成水凝胶，其结构与活组织的细胞外基质类似，并且具有良好的生物相容性、低毒性、相对较低的成本，已被广泛研究并用于组织再生、药物递送、细胞移植等领域。然而，海藻酸钠是生物惰性材料，其分子链上缺乏与细胞相关作用的位点，需要设计并利用生物仿生多肽共价接枝于海藻酸钠链段上增强其生物活性，满足组织工程的需求。在本研究中，他们引入了含有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列的肽（RGD），以促进细胞在支架材料中的黏附、增殖能力；并且引入了 VEGF 仿生多肽（QK）以促进体内血管招募和迁移能力；同时，我们利用悬滴法制备 3D 多孔海藻酸钠微支架，其微米级别的孔径相较于水凝胶支架纳米级的孔径更有利于细胞的生长和物质交换，并负载促软骨生成小分子药物 KGN 实现缓释效果。

图2. RQA-K@RAMS 的构建及表征

（2）功能化微支架水凝胶全阶段调控并加速 hBMSCs 软骨内骨化行为。RGD 多肽修饰的微支架因为其较大的比表面积和 3D 多孔结构可以重现细胞的增殖、聚集行为，并且有利于细胞和外部环境进行物质交换，水凝胶层不但避免了微支架表面的细胞流失和注射过程中因剪切应力导致的细胞损伤，而且为细胞提供了粘弹性微环境，进一步增强了细胞的黏附、聚集行为，并且有利于软骨细胞增殖和肥大；功能化微支架水凝胶通过缓慢释放 KGN，为 hBMSCs 软骨向分化提供持续稳定的软骨诱导微环境，形成更多的软骨基质进一步促进了软骨细胞肥大化；QK 多肽在体内移植时通过招募血管内皮细胞形成有利于肥大软骨细胞向成骨细胞转化的血管微环境。本研究通过对接种于功能化微支架水凝胶的 hBMSCs 在进行体外软骨内骨化 5 周的诱导，发现体外软骨诱导 2 周就有较高的 COL10A1 的表达，并且通过裸鼠皮下异位成骨实验发现体外软骨诱导 2 周展示出了和体外软骨诱导 3 周肥大 2 周的细胞-支架复合体相近的成骨矿化和血管招募能力，表明我们所构建的功能化海藻酸钠微支架水凝胶通过调控细胞软骨内骨化行为，可以显著加速其软骨内骨化进程，并在植入体内后表现出良好的成骨矿化和血管招募能力。