細(xì)胞基及其衍生物水凝膠應(yīng)用于炎癥類(lèi)疾病治療近期研究進(jìn)展

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細(xì)胞基及其衍生物水凝膠相比傳統(tǒng)水凝膠，具有更高的生物安全性、多樣的生物學(xué)功能，涉及到細(xì)胞、蛋白、核酸等多個(gè)層次，被廣泛應(yīng)用于診斷、治療、人造皮膚和組織工程等方面，取得不錯(cuò)的治療效果。隨著水凝膠體系的深入功能化研究，更多細(xì)胞基及其衍生物水凝膠體系被設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出來(lái)，在體內(nèi)發(fā)揮不同的生物學(xué)功能。例如，具有多功能性的細(xì)胞裂解液制備成的水凝膠可以有效地實(shí)現(xiàn)體內(nèi)部分免疫細(xì)胞功能的調(diào)控；蛋白/核酸等水凝膠體系可以針對(duì)性提高某些疾病的體內(nèi)蛋白藥物含量，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均顯示在動(dòng)物體內(nèi)呈現(xiàn)出良好的疾病治療效果。這種生物多功能的水凝膠體系可用于加速臨床中生物醫(yī)用水凝膠治療體系的開(kāi)發(fā)，提高腫瘤、自身性免疫類(lèi)等相關(guān)疾病的治療效果。對(duì)于細(xì)胞基及其衍生物水凝膠的生物學(xué)效應(yīng)及毒性的研究將作為生物醫(yī)藥研究中的重大創(chuàng)新，極大拓展了生物醫(yī)用類(lèi)水凝膠在臨床疾病治療中的應(yīng)用前景。近年圍繞細(xì)胞基及其衍生物水凝膠治療體系的相關(guān)研究呈井噴式的發(fā)展，至今有關(guān)論文發(fā)表數(shù)量已經(jīng)累計(jì)上萬(wàn)篇。在此，我們挑選了最新發(fā)表的數(shù)篇論文進(jìn)行詳細(xì)介紹，方便大家進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)以及了解該領(lǐng)域的發(fā)展近況。


1. Advanced Healthcare Materials：富血小板裂解液血漿大孔水凝膠支架長(zhǎng)期招募內(nèi)源性M2巨噬細(xì)胞修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損

簡(jiǎn)介：軟骨損傷后，大量單核/巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)臨近滑膜，滯留在滑膜組織中的巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)化為活化巨噬細(xì)胞(M1)，分泌促炎細(xì)胞因子誘導(dǎo)持續(xù)炎癥反應(yīng)和軟骨細(xì)胞凋亡。然而，目前臨床軟骨修復(fù)治療很少能達(dá)到長(zhǎng)期的抗炎調(diào)節(jié)和滿意的結(jié)果。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)溫州研究院Junjie Deng教授開(kāi)發(fā)了一種富含血小板溶解物的血漿大孔水凝膠(PLPMH)支架，可持續(xù)招募和極化內(nèi)源性抗炎巨噬細(xì)胞(M2)，以改善軟骨缺損修復(fù)。PLPMH支架可通過(guò)逐步降解穩(wěn)定釋放鞘氨醇1-磷酸和蛋白，從而誘導(dǎo)M2巨噬細(xì)胞遷移或M0巨噬細(xì)胞遷移并極化至M2表型，提高抗炎細(xì)胞因子的分泌。此外，PLPMH支架在體內(nèi)的炎癥反應(yīng)可以忽略不計(jì)，可以促進(jìn)內(nèi)源性M2巨噬細(xì)胞大量長(zhǎng)時(shí)間浸潤(rùn)，提供局部抗炎微環(huán)境，甚至可以持續(xù)42天。在兔軟骨缺損模型中，PLPMH支架可以增加M2巨噬細(xì)胞比例，促進(jìn)軟骨組織再生。這些研究支持PLPMH支架通過(guò)提供抗炎和促進(jìn)再生的微環(huán)境，在關(guān)節(jié)軟骨組織工程中可能具有很大的潛力。相關(guān)工作“Long-Term Recruitment of Endogenous M2 Macrophages by Platelet Lysate-Rich Plasma Macroporous Hydrogel Scaffold for Articular Cartilage Defect Repair”于2022年1月7日發(fā)表在Advanced Healthcare Materials雜志上。

  圖1 PLPMH支架制備及募集內(nèi)源性M2巨噬細(xì)胞促進(jìn)軟骨缺損修復(fù)示意圖

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https://doi.org/10.1002/adhm.202101661

2. International Journal of Ophthalmology：人血小板裂解液/纖維蛋白水凝膠處理后的人角膜內(nèi)皮細(xì)胞與Y-27632 ROCK抑制劑的比較培養(yǎng):體外和體外研究

簡(jiǎn)介：組織工程和細(xì)胞治療研究的進(jìn)展為角膜內(nèi)皮疾病患者提供了創(chuàng)新的治療方案。伊朗醫(yī)學(xué)科學(xué)沙希德·貝赫什提大學(xué)Mozhgan Rezaei Kanavi教授比較使用人血小板溶解物(HPL)/纖維蛋白水凝膠和使用Y-27632 ROCK抑制劑在體外和離體條件下培養(yǎng)人角膜內(nèi)皮細(xì)胞(HCECs)的潛在影響。制備了人角膜內(nèi)皮功能障礙的體外模型，結(jié)果相比之下，HPL/Fibrin水凝膠處理的細(xì)胞存活率與Y-27632 ROCK抑制劑處理的細(xì)胞存活率相似，但兩種處理的細(xì)胞存活率均高于對(duì)照組(FBS)。HPL/纖維蛋白水凝膠與Y-27632 ROCK抑制劑對(duì)HCECs的生長(zhǎng)和粘附具有相似的誘導(dǎo)作用，但是用HPL/纖維蛋白水凝膠處理細(xì)胞的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是，它是一種無(wú)異種和生物相容性的材料，在未來(lái)的臨床應(yīng)用中可以有自體應(yīng)用。相關(guān)工作“Comparative culture of human corneal endothelial cells following treatment with human platelet lysate/fibrin hydrogel versus Y-27632 ROCK inhibitor: in vitro and ex vivo study” 于2022年1月13日發(fā)表在International Journal of Ophthalmology雜志上。 圖2 圖示為HPL/纖維蛋白水凝膠制備和HCEC包封

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https://doi.org/10.1007/s10792-021-02136-x

3. Biomaterials Science：通過(guò)外科手術(shù)腫瘤來(lái)源的個(gè)性化水凝膠疫苗抑制腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移

簡(jiǎn)介：腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移已成為臨床腫瘤治療中的棘手問(wèn)題。疫苗介導(dǎo)的抗腫瘤免疫反應(yīng)已成為一種顯著的術(shù)后抑制腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移。然而，有限的腫瘤抗原并不利于觸發(fā)完全抗原特異性T細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)溫州研究院Junjie Deng教授開(kāi)發(fā)了一種基于手術(shù)切除腫瘤細(xì)胞裂解液的含有粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子(GM-CSF)的水凝膠疫苗系統(tǒng)。該水凝膠是由腫瘤細(xì)胞裂解液在低溫下交聯(lián)形成的。從水凝膠中釋放GM-CSF以招募樹(shù)突狀細(xì)胞，這提供了一個(gè)完全個(gè)性化的腫瘤抗原池。它們被結(jié)合在一起以促進(jìn)強(qiáng)大的抗原特異性T細(xì)胞的產(chǎn)生。將個(gè)性化的水凝膠植入手術(shù)部位，刺激抗腫瘤免疫反應(yīng)，抑制殘留的腫瘤細(xì)胞。令人高興的是，這種個(gè)性化的水凝膠結(jié)合程序化死亡配體1抗體(αPD-L1)，在術(shù)后小鼠腫瘤模型中很好地抑制了腫瘤的復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移。結(jié)果表明，個(gè)性化水凝膠的開(kāi)發(fā)和αPD-L1的結(jié)合為預(yù)防腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移提供了一種新的策略。相關(guān)工作“Inhibition of tumor recurrence and metastasis via a surgical tumor-derived personalized hydrogel vaccine” 于2022年1月12日發(fā)表在Biomaterials Science雜志上。 圖3 PTLDH制備及PTLDH介導(dǎo)的預(yù)防術(shù)后腫瘤復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移的腫瘤免疫治療示意圖

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https://doi.org/10.1039/d1bm01596f

4. Advanced Materials：具有蛋白質(zhì)編碼的獨(dú)立RNA水凝膠用于亞區(qū)域化翻譯

簡(jiǎn)介：RNA可以自我折疊成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在蛋白質(zhì)合成和催化中充當(dāng)主要的生物調(diào)節(jié)因子。由于結(jié)構(gòu)基元和功能多樣性的豐富，RNA已被用于設(shè)計(jì)自然定義的目標(biāo)，盡管其固有的化學(xué)不穩(wěn)定性和缺乏技術(shù)。成均館大學(xué)Soong Ho Um教授通過(guò)連接和滾動(dòng)循環(huán)轉(zhuǎn)錄形成RNA G-四聯(lián)體開(kāi)發(fā)了一種強(qiáng)大的、獨(dú)立的RNA水凝膠，能夠在亞區(qū)域的相分離翻譯環(huán)境中催化活性和增強(qiáng)幾種蛋白質(zhì)的表達(dá)。這些觀察結(jié)果表明，這種水凝膠將擴(kuò)大RNA研究，并影響實(shí)際的RNA原理和應(yīng)用。相關(guān)工作“Protein-Encoding Free-Standing RNA Hydrogel for Sub-Compartmentalized Translation”于2022年4月4日發(fā)表在Advanced Materials雜志上。 圖4 自組裝的RCT產(chǎn)物形成具有固有功能的RNA G-四復(fù)合體(RG4)凝膠

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https://doi.org/10.1002/adma.202110424

5. Scientific Reports：人胰腺ECM水凝膠優(yōu)化了胰島微環(huán)境的三維建模

簡(jiǎn)介：細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)扮演著多種角色，包括通過(guò)結(jié)構(gòu)和生化相互作用支持細(xì)胞。為了更好地理解和支持胰島健康，并重現(xiàn)原生胰島環(huán)境，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校醫(yī)學(xué)與公共衛(wèi)生學(xué)院Jon S. Odorico教授希望有一個(gè)平臺(tái)可以讓胰島細(xì)胞與天然的ECM接觸培養(yǎng)，證明了從脫細(xì)胞的人類(lèi)胰腺中衍生出一種實(shí)用且持久的水凝膠，支持人類(lèi)胰島的生存和功能。與無(wú)胰腺基質(zhì)培養(yǎng)的胰島相比，嵌在這種水凝膠中的胰島顯示葡萄糖和KCl增加了胰島素分泌，并改善了線粒體功能。在擴(kuò)展培養(yǎng)中，與懸浮培養(yǎng)相比，水凝膠共培養(yǎng)顯著降低了細(xì)胞凋亡水平，并保存了受控的葡萄糖響應(yīng)功能。與原位胰島相比，離體胰島的內(nèi)分泌和非內(nèi)分泌細(xì)胞排列發(fā)生改變;水凝膠保存了與原位觀察更相似的島狀結(jié)構(gòu)。RNA測(cè)序證實(shí)，懸浮培養(yǎng)和水凝膠培養(yǎng)胰島的基因表達(dá)差異很大程度上屬于與細(xì)胞外信號(hào)傳導(dǎo)和粘附相關(guān)的基因本體論術(shù)語(yǔ)。天然胰腺ECM可改善離體胰島的生存和生理機(jī)能。相關(guān)工作“A human pancreatic ECM hydrogel optimized for 3‑D modeling of the islet microenvironment” 于2022年5月3日發(fā)表在Scientific Reports雜志上。 圖5 人胰腺ECM的脫細(xì)胞和凝膠化方案

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https://doi.org/10.1038/s41598-022-11085-z

6. ACS Applied Materials & Interfaces：動(dòng)態(tài)生物反應(yīng)性DNA水凝膠與端突來(lái)源的外泌體的雙功能干細(xì)胞結(jié)合促進(jìn)糖尿病骨再生

簡(jiǎn)介：高血糖和過(guò)表達(dá)的促炎細(xì)胞因子、蛋白酶(如基質(zhì)金屬蛋白酶、MMPs)等顯著影響糖尿病(DM)患者骨缺損的再生。鑒于外泌體是一種很有前途的納米材料，重慶醫(yī)科大學(xué)Jinlin Song教授報(bào)道了來(lái)自根尖乳頭源性外泌體(SCAP-Exo)的干細(xì)胞在體外促進(jìn)血管生成和成骨的優(yōu)異能力，開(kāi)發(fā)了一種生物反應(yīng)性聚乙二醇(PEG)/DNA混合水凝膠，以支持SCAP-Exo的可控釋放，用于糖尿病骨缺損。該系統(tǒng)可能由病理線索(MMP-9)的升高觸發(fā)，以響應(yīng)動(dòng)態(tài)糖尿病微環(huán)境。進(jìn)一步證實(shí)了可注射的scap -外源性PEG/DNA混合水凝膠對(duì)糖尿病大鼠下頜骨缺損具有促進(jìn)血管蒂骨再生的作用。此外，miRNA測(cè)序提示SCAP-Exo的雙功能機(jī)制可能與miRNA-126-5p和miRNA-150-5p的高表達(dá)有關(guān)。為設(shè)計(jì)有前景的生物反應(yīng)性外泌體遞送系統(tǒng)提供了有價(jià)值的見(jiàn)解，以改善糖尿病患者的骨再生。相關(guān)工作“Dynamically Bioresponsive DNA Hydrogel Incorporated with DualFunctional Stem Cells from Apical Papilla-Derived Exosomes Promotes Diabetic Bone Regeneration”于2022年3月28日發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces雜志上。 圖6 SVAP-外源性PEG/DNA混合水凝膠促進(jìn)糖尿病血管化骨再生的合成和治療原理

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https://doi.org/10.1021/acsami.2c02278

7. Biomaterials Advances：可溶解的微凝膠模板大孔水凝膠控制細(xì)胞組裝

簡(jiǎn)介：間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)為基礎(chǔ)的治療已被廣泛用于促進(jìn)組織再生和調(diào)節(jié)免疫/炎癥反應(yīng)。間充質(zhì)干細(xì)胞的治療潛力可以通過(guò)形成多細(xì)胞球形進(jìn)一步提高。同時(shí)，具有大孔結(jié)構(gòu)的水凝膠有利于提高細(xì)胞負(fù)載基質(zhì)的傳質(zhì)性能。印第安納大學(xué)-普渡大學(xué)Chien-Chi Lin教授報(bào)告了利用可快速溶解的球形細(xì)胞載微凝膠制備MSC載大孔水凝膠支架。采用串聯(lián)液滴微流控技術(shù)和巰基降冰片烯光聚合技術(shù)，制備了一種新型快速降解高分子聚乙二醇降冰片烯-多巴胺(PEGNB-Dopa)可溶微凝膠。載細(xì)胞的PEGNB-Dopa微凝膠隨后被包裹在另一個(gè)體積水凝膠基質(zhì)中，其多孔結(jié)構(gòu)是由PEGNB-Dopa微凝膠的快速降解有效地產(chǎn)生。這種原位成孔方法的細(xì)胞相容性已被證明與多種細(xì)胞類(lèi)型。此外，調(diào)整塊體水凝膠的剛度和細(xì)胞粘附性，可以形成固體球或空心球。實(shí)心或空心MSC球體的組裝導(dǎo)致AKT通路的差異激活。最后，在大孔水凝膠中原位形成的MSCs固體球狀體顯示了HGF、VEGF-A、IL-6、IL-8和TIMP-2的強(qiáng)勁分泌。該平臺(tái)為形成細(xì)胞負(fù)載的大孔水凝膠提供了一種創(chuàng)新的方法，用于未來(lái)的各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。相關(guān)工作“Dissolvable microgel-templated macroporous hydrogels for controlled cell assembly” 于2022年2月14日發(fā)表在Biomaterials Advances雜志上。 圖7 大孔水凝膠的制備與表征

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http://dx.doi.org/10.1016/j.msec.2022.112712

8. International Journal of Molecular Sciences：具有細(xì)胞外囊泡緩釋的重組人膠原蛋白水凝膠的制備及皮膚創(chuàng)面愈合

簡(jiǎn)介：現(xiàn)有的治療方法難以有效促進(jìn)皮膚創(chuàng)面愈合，這對(duì)臨床治療提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。干細(xì)胞分泌的細(xì)胞外囊泡(EV)已被證明有助于傷口組織的再生和修復(fù)，但它們不能被靶向和持續(xù)，這嚴(yán)重限制了它們目前的治療潛力。重組人膠原蛋白III (rhCol III)具有水溶性好、無(wú)病毒隱患、排異率低、生產(chǎn)工藝穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)EV的位點(diǎn)特異性緩釋?zhuān)�南開(kāi)大學(xué)Shufang Wang教授通過(guò)與鏈霉菌的谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶交聯(lián)制備了rhCol III水凝膠，該凝膠具有孔徑均勻、生物相容性好等特點(diǎn)。rhCol III - EV水凝膠能有效促進(jìn)巨噬細(xì)胞由M1型向M2型的轉(zhuǎn)變、L929細(xì)胞的遷移能力以及人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVECs)的血管生成。此外，在糖尿病大鼠皮膚損傷模型中，rhCol III - EV水凝膠被證明可以通過(guò)抑制炎癥反應(yīng)和促進(jìn)細(xì)胞增殖和血管生成來(lái)促進(jìn)傷口愈合。結(jié)果表明，rhCol III -EV水凝膠可作為一種新型的EV傳遞生物材料，在皮膚創(chuàng)面愈合方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)工作“Preparation of Recombinant Human Collagen III Protein Hydrogels with Sustained Release of Extracellular Vesicles for Skin Wound Healing” 于2022年6月3日發(fā)表在International Journal of Molecular Sciences雜志上。 圖8 rhCol III水凝膠的制備

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https://doi.org/10.3390/ijms23116289

9. Carbohydrate Polymers：一種富含MnO2納米酶的透明質(zhì)酸/血小板血漿水凝膠有效地緩解體內(nèi)骨關(guān)節(jié)炎

簡(jiǎn)介：由于其復(fù)雜的發(fā)病機(jī)制，骨關(guān)節(jié)炎(OA)的癥狀不能通過(guò)使用單一的功能成分完全治愈。浙江大學(xué)Changyou Gao教授通過(guò)將牛血清白蛋白(BSA)-MnO2 (BM)納米顆粒(NPs)分散到透明質(zhì)酸(HA)/富血小板血漿(PRP)凝膠網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)席夫堿反應(yīng)交聯(lián)，制備了MnO2納米酶包被水凝膠。由于希夫堿鍵的自愈性和pH響應(yīng)特性，水凝膠不僅具有粘補(bǔ)功能，而且在PRP中表現(xiàn)出pH響應(yīng)釋放BM NPs和生長(zhǎng)因子。BM NPs可減輕嚴(yán)重氧化應(yīng)激，PRP可促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖。在大鼠OA模型中，HA/PRP/BM水凝膠顯著抑制軟骨基質(zhì)降解。體外和體內(nèi)研究表明，該新型水凝膠平臺(tái)可通過(guò)機(jī)械耗散的協(xié)同作用抑制骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展，抑制炎癥反應(yīng)，促進(jìn)軟骨修復(fù)，在骨性關(guān)節(jié)炎的治療中具有重要的應(yīng)用前景。相關(guān)工作“A hyaluronic acid/platelet-rich plasma hydrogel containing MnO2 nanozymes efficiently alleviates osteoarthritis in vivo” 于2022年5月25日發(fā)表在Carbohydrate Polymers雜志上。 圖9 希夫堿反應(yīng)制備的HA/PRP/BM可注射水凝膠示意圖，及其協(xié)同治療骨關(guān)節(jié)炎

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https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119667

10. ACS Applied Bio Materials：通過(guò)重組細(xì)菌膠原-透明質(zhì)酸水凝膠構(gòu)建可調(diào)控的腫瘤微環(huán)境

簡(jiǎn)介：腫瘤微環(huán)境的模型需要控制機(jī)械和生化特性，以確保準(zhǔn)確模擬患者的疾病。與純天然或合成材料相比，將重組蛋白片段與合成支架配對(duì)的雜交方法顯示出許多優(yōu)勢(shì)。新南威爾士大學(xué)Kristopher A. Kilian教授展示了一種重組細(xì)菌膠原樣蛋白(CLP)的生產(chǎn)，用于巰基烯與降冰片烯功能化透明質(zhì)酸(NorHA)的配對(duì)。合成的水凝膠材料顯示了可調(diào)節(jié)的模量，具有類(lèi)似天然腫瘤基質(zhì)的應(yīng)變加強(qiáng)行為的證據(jù)。加入半胱氨酸末端肽結(jié)合基序來(lái)調(diào)整細(xì)胞粘附點(diǎn)。模塊化混合凝膠顯示了良好的生物相容性，并被證明可以控制MCF7和MD-MBA-231乳腺腺癌細(xì)胞的粘附、增殖和侵襲特性。多種結(jié)構(gòu)和生物活性成分的容易集成為基礎(chǔ)研究和藥物開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)強(qiáng)大的框架來(lái)形成腫瘤微環(huán)境模型。相關(guān)工作“A Tunable Tumor Microenvironment through Recombinant Bacterial Collagen-Hyaluronic Acid Hydrogels”于2022年5月22日發(fā)表在ACS Applied Bio Materials雜志上。 圖10 重組雜化膠原樣蛋白(CLP)、去冰片烯功能化透明質(zhì)酸水凝膠(NorHA)示意圖

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https://doi.org/10.1021/acsabm.2c00186