上海交大周廣東團隊：骨再生單元復(fù)合脫鈣骨框架材料修復(fù)大體積骨缺損

臨床上，對于外傷性、退行性疾病或腫瘤切除后導(dǎo)致的大體積骨缺損的生理性修復(fù)一直是重大的挑戰(zhàn)，這不僅要求植入材料能夠充分填充大體積骨缺損區(qū)域，而且更重要的是需要恢復(fù)受損部位正常的生理功能。最新研究成果表明，基于組織工程原理構(gòu)建的、具有生物活性的組織工程骨對于骨缺損的生理功能重建具備獨特的優(yōu)勢，臨床治療效果甚至優(yōu)于自體骨組織。雖然，脫鈣骨基質(zhì)（DBM）因其固有的骨仿生結(jié)構(gòu)、礦化成分、生物相容性和成骨活性，被認(rèn)為是臨床上理想的骨再生材料，但是仍然面臨細胞負(fù)載率低和成骨誘導(dǎo)活性成分損失等問題，嚴(yán)重制約了組織工程骨的臨床轉(zhuǎn)化。

近期，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院、上海市組織工程重點實驗室、組織工程國家工程研究中心周廣東團隊，提出了一種骨再生單元復(fù)合脫鈣骨框架材料構(gòu)建組織工程骨及大體積骨缺損修復(fù)的新策略。研究者首先通過微流控技術(shù)制備具有成骨微環(huán)境仿生的光交聯(lián)甲基丙烯酸酯明膠/透明質(zhì)酸（GelMA/HAMA）微凝膠（如圖1），然后接種骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）并進行成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)構(gòu)建骨再生單元（BRUs）：1）BRUs可以直接注射至裸鼠皮下實現(xiàn)異位成骨（即“可注射骨”）；2）BRUs也可以復(fù)合DBM框架材料構(gòu)建具有三維形態(tài)的組織工程骨，并成功修復(fù)了兔子脛骨缺損。相關(guān)研究論文：“Large-sized bone defect repair by combining a decalcified bone matrix framework and bone regeneration units based on photo-crosslinkable osteogenic microgels”發(fā)表于雜志Bioactive Materials（IF=14.593）上。

圖1 骨再生單元復(fù)合脫鈣骨框架材料修復(fù)脛骨缺損策略的示意圖

1. 成骨微環(huán)境仿生光交聯(lián)微凝膠的理化性能表征
研究者利用微流控技術(shù)對負(fù)載成骨活性成分DBM微粒和血管化生長因子VEGF的凝膠液體進行光聚合制備GelMA/HAMA水凝膠微球（VDGH），成功構(gòu)建了具有成骨微環(huán)境仿生功能的微凝膠。實驗結(jié)果表明，VDGH微凝膠的理化性質(zhì)能夠通過微流控和光交聯(lián)技術(shù)的結(jié)合可控調(diào)節(jié)，例如微球尺寸、均一度、力學(xué)強度、活性因子釋放和生物降解性等（如圖2）。

圖2 成骨微環(huán)境仿生光交聯(lián)微凝膠的理化性能表征

2. 骨再生單元構(gòu)建及生物學(xué)評價
研究者首先優(yōu)化了骨再生單元構(gòu)建的接種條件，并確認(rèn)了60 mil/mL的 BMSCs接種于300 μm微凝膠能夠獲得最佳的細胞接種效率和增殖效果。然后，實驗通過活/死細胞染色和鬼筆環(huán)肽染色表征了BMSCs接種于VDGH微凝膠培養(yǎng)1，4，7和14天后的細胞鋪展、增殖、和細胞外基質(zhì)分泌情況（如圖3）。接著，經(jīng)過成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)14天后，接種干細胞的VDGH微凝膠逐漸形成了成骨基因和蛋白表達相對成熟的骨再生單元（如圖4）。

圖3 骨再生單元的生物學(xué)評價

圖4 體外成骨誘導(dǎo)分化評價

3. 可注射骨構(gòu)建及生物學(xué)評價
研究者將上述方式構(gòu)建的BRUs注射至裸鼠皮下，并系統(tǒng)地進行了DNA含量、力學(xué)性能、濕重、體積、Micro-CT和組織學(xué)評價。實驗結(jié)果證實，體內(nèi)植入8周后BRUs能夠再生成熟的骨組織，包括大量的骨特異性ECM沉積、清晰的骨小梁結(jié)構(gòu)和豐富的血管長入（如圖5）。BRUs穩(wěn)定的骨再生潛力可能歸因于以下優(yōu)勢：1）微凝膠表面粘附的BMSCs具有足夠的機會接觸成骨誘導(dǎo)信號，以便于實現(xiàn)細胞-細胞和細胞-ECM的相互作用，大大加快了BMSCs的成骨誘導(dǎo)分化；2）相比于整塊水凝膠而言，微凝膠之間的大孔結(jié)構(gòu)保證了營養(yǎng)物質(zhì)的充分滲透和運輸；3）微凝膠的間隙以及促血管生成的仿生微環(huán)境（VEGF緩釋）有利于血管長入，從而促進再生骨組織的血管化。因此，具有良好可注射性和骨再生潛力的BRUs，將為骨缺損的微創(chuàng)治療提供潛在的應(yīng)用前景。

圖5 體內(nèi)可注射骨構(gòu)建及生物學(xué)評價

4. 三維形態(tài)的組織工程骨構(gòu)建及脛骨缺損修復(fù)評價
研究者將BRUs復(fù)合DBM框架材料植入裸鼠皮下，并成功再生了具有三維形態(tài)的組織工程骨（如圖6）。這一策略不僅克服了可注射BRUs在三維形態(tài)控制和力學(xué)維持上的缺陷，也有效解決了DBM支架材料在細胞接種率低和成骨仿生微環(huán)境缺失等方面的問題。最后，具有三維形態(tài)的組織工程骨成功修復(fù)了兔子15 mm長的脛骨缺損（如圖7）。實驗結(jié)果表明，理想的骨修復(fù)效果歸功于充足的細胞接種量，BRUs提供的成骨和血管化仿生微環(huán)境，以及激活內(nèi)源性BMSC歸巢�？傊�，當(dāng)前的研究創(chuàng)新性地開發(fā)了一種理想的骨仿生微載體，這將為骨再生和大體積骨缺損修復(fù)提供一種嶄新的策略。

圖6 三維形態(tài)的組織工程骨構(gòu)建及生物學(xué)評價

圖7 三維形態(tài)的組織工程骨應(yīng)用于兔子脛骨缺損修復(fù)

本論文第一作者：郝俊祥、白寶帥、慈政；通訊作者：任文杰、華宇杰、周廣東。該工作得到了新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院任文杰教授團隊的共同合作完成，材料學(xué)表征得到了上海交大朱麟勇教授團隊的大力支持。此外，該工作還得到了國家重大研發(fā)計劃（2017YFC1103900）、國家自然科學(xué)基金（81871502，81701843和81671837）等項目支持。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.12.013