可注射活體生物材料修復(fù)半月板損傷抑制關(guān)節(jié)退變

論文發(fā)表 | 可注射活體生物材料修復(fù)半月板損傷抑制關(guān)節(jié)退變

半月板是膝關(guān)節(jié)內(nèi)保護(hù)關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的重要組織。半月板缺乏自愈能力，損傷后很難自我修復(fù)。醫(yī)學(xué)上，半月板損傷修復(fù)一直是臨床治療的一個(gè)難題，尤其是半月板白區(qū)損傷的修復(fù)更是讓臨床醫(yī)生束手無策。目前多采用人工合成類材料對半月板進(jìn)行修復(fù)，但是人工合成類材料的生物相容性不足，且對半月板損傷的治療效果不佳。因此，急需開發(fā)一種具備高生物相容性及組織特異生物活性的材料用于臨床。

2020年6月12日中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所于寅團(tuán)隊(duì)在Bioactive Materials發(fā)表文章“Injectable ECM hydrogel for delivery of BMSCs enabled full-thickness meniscus repair in an orthotopic rat model”。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所研究助理鐘剛和廣西醫(yī)科大學(xué)姚軍博士為該論文共同第一作者。本研究用豬半月板脫細(xì)胞化得到一種組織特異性細(xì)胞外基質(zhì)（ECM），并將其制備成可注射的水凝膠用于負(fù)載骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）形成一種活體生物材料。研究發(fā)現(xiàn)該ECM可以促進(jìn)BMSCs成軟骨分化；將該ECM負(fù)載BMSCs注射到半月板損傷處，可以修復(fù)半月板損傷和抑制關(guān)節(jié)退變。該項(xiàng)研究探討了其生物相容性和軟骨誘導(dǎo)性能，并深入評價(jià)了其對半月板損傷的修復(fù)和關(guān)節(jié)的保護(hù)作用，對半月板修復(fù)具有重要臨床意義。

 

仿生學(xué)開啟研究思路

本項(xiàng)研究從仿生學(xué)得到啟發(fā)，用豬半月板的內(nèi)側(cè)1/3部分組織（白區(qū)）通過脫細(xì)胞化制作一種組織特異性細(xì)胞外基質(zhì)（ECM），并將其制備成可注射用的水凝膠，再將該ECM負(fù)載骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）形成具有生物活性的活體凝膠材料用于半月板損傷修復(fù)（圖1）。

圖1:利用可注射活體生物材料進(jìn)行體內(nèi)異位及原位軟骨再生及半月板創(chuàng)傷修復(fù)實(shí)驗(yàn)的示意圖

 

繼而將組織特異性ECM復(fù)合BMSCs做體外三維培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)該ECM具有優(yōu)異的生物相容性和軟骨誘導(dǎo)能力（圖2）。

圖2：（a,b）體外三維立體培養(yǎng)live/dead染色；（c）三維立體培養(yǎng)后的糖胺多糖（GAGs）檢測；（d）三維培養(yǎng)21天后，Collagen I，Collagen II和aggrecan的基因表達(dá)。

 

體外培養(yǎng)21天后發(fā)現(xiàn)該ECM與BMSCs的復(fù)合物的形貌結(jié)構(gòu)更接近正常的半月板組織，這說明該ECM更利于半月板損傷的修復(fù)（如圖3）。

圖3: 三維立體培養(yǎng)后的電鏡圖

 

活體生物材料用于半月板損傷修復(fù)

將組織特異性ECM復(fù)合BMSCs后在體外培養(yǎng)一周后，置入SD大鼠的背部，四周后取出該復(fù)合物進(jìn)行組織學(xué)染色，結(jié)果表明該組織內(nèi)出現(xiàn)了大量的軟骨的特異性標(biāo)志：“軟骨陷窩”，番紅染色和甲苯胺藍(lán)染色呈現(xiàn)強(qiáng)陽性（如圖4）。

圖4: 置入大鼠背部組織特異性ECM復(fù)合BMSCs復(fù)合物組織學(xué)染色

 

團(tuán)隊(duì)繼而制作了一個(gè)位于半月板白區(qū)全層的半月板損傷SD大鼠模型，將負(fù)載有BMSCs的組織特異性ECM注射到模型半月板損傷部位，兩個(gè)月后發(fā)現(xiàn)該活體生物材料能夠顯著促進(jìn)半月板的修復(fù)，同時(shí)極大地保護(hù)了關(guān)節(jié)，抑制了鈣質(zhì)流失和骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生（圖5）。

圖5:(a)大體圖;（b)番紅固綠染色；(c-e)micro-CT掃描, c:反映關(guān)節(jié)腔的骨質(zhì)變化和骨贅形成；d:反映關(guān)節(jié)腔容積；e:反映骨小梁密度

 

【文中（c-e)micro-CT掃描圖像，由我司Micro CT設(shè)備（型號：NEMO）進(jìn)行的樣本掃描并提供的圖像�！�

 

該研究利用組織特異性的ECM負(fù)載骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞形成可注射的活體水凝膠，并深入研究了其在全層半月板損傷動(dòng)物模型中的治療效果和保護(hù)關(guān)節(jié)免于骨關(guān)節(jié)炎的功能，實(shí)驗(yàn)過程歷時(shí)兩年半，克服了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)過程諸多困難，通過在顯微鏡下對小鼠進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)來構(gòu)建半月板損傷模型，確保了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，為臨床半月板損傷的治療提供了新思路，是可注射活體生物材料在再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用上的有意義的嘗試。