Nature reviews materials|用于原位組織再生的工程材料

原位組織工程利用自體的再生潛力完成組織修復(fù)，其中所用的生物材料可控釋放生物物理和生物化學(xué)信號(hào)，以引導(dǎo)內(nèi)源性細(xì)胞到損傷部位并通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞外微環(huán)境或驅(qū)動(dòng)細(xì)胞重編程來(lái)誘導(dǎo)組織再生。近日，一篇名為“Engineered biomaterials for in situ tissue regeneration”的文章由加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的Ali Khademhosseini教授研究團(tuán)隊(duì)在頂級(jí)期刊Nature reviews materials (IF=66.31)上發(fā)表。這篇綜述概述了兩種生物材料的設(shè)計(jì)方法來(lái)控制組織特異性再生體的再生能力。第一種方法是使用具有引導(dǎo)內(nèi)源性細(xì)胞(包括免疫細(xì)胞，祖細(xì)胞或干細(xì)胞)能力的生物反應(yīng)材料，以促進(jìn)組織愈合、整合和再生。第二種方法側(cè)重于原位細(xì)胞重編程。具體方法有轉(zhuǎn)錄因子遞送，RNA治療，體內(nèi)基因編輯和生物材料驅(qū)動(dòng)的表觀遺傳轉(zhuǎn)化。總之，通過(guò)工程生物材料激發(fā)自體再生潛力是一種用于治療受傷或患病組織的簡(jiǎn)單有效的途徑。本推送對(duì)其綜述部分內(nèi)容進(jìn)行節(jié)選。

原位組織再生

包括人類(lèi)在內(nèi)的所有生物體都能夠通過(guò)分子過(guò)程進(jìn)行再生，分子過(guò)程由控制再生、恢復(fù)和生長(zhǎng)的基因表達(dá)程序控制。利用人體再生能力結(jié)合工程生物材料完成復(fù)雜組織的體內(nèi)再生，被稱(chēng)為原位組織再生。具體地，工程生物材料需要載有生物活性信號(hào)用來(lái)指導(dǎo)內(nèi)源性祖細(xì)胞或干細(xì)胞遷移并幫助愈合受損組織。該過(guò)程中，生物材料提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)框架，以促進(jìn)宿主干細(xì)胞和祖細(xì)胞的附著和遷移，并驅(qū)動(dòng)這些細(xì)胞分化成特異性組織細(xì)胞。與此相對(duì)的是離體組織工程，將支架與體外的細(xì)胞、生物分子等結(jié)合以獲得用于植入的細(xì)胞載體組織構(gòu)建體，區(qū)別如下圖所示。

圖1. (a)傳統(tǒng)的組織工程方法需要在植入體內(nèi)之前進(jìn)行細(xì)胞預(yù)接種和體外培養(yǎng)。(b)原位組織再生使用生物活性材料和自體再生能力。負(fù)載有生物化學(xué)和生物物理信號(hào)的活性材料可以募集內(nèi)源性細(xì)胞并促進(jìn)愈合。

工程生物材料

用于原位組織再生的支架包括均質(zhì)材料、微孔材料、納米顆粒、纖維、水凝膠和3D 打印支架。用于制造支架的生物材料可以是聚合物、陶瓷、金屬和復(fù)合材料。這些來(lái)源于合成、天然或組合來(lái)源的材料必須有對(duì)生物信號(hào)做出反應(yīng)的能力，并可與免疫系統(tǒng)和內(nèi)源性細(xì)胞相互作用以刺激再生。這些響應(yīng)性生物材料可以通過(guò)其生物物理和生物化學(xué)特性與身體相互作用，其通過(guò)調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)并控制內(nèi)源性細(xì)胞(從瘢痕形成到完全再生)的動(dòng)力學(xué)和愈合程度來(lái)改變局部組織微環(huán)境，需要考慮的因素如下圖所示。

在具體的應(yīng)用中往往要綜合考慮生物材料的生物物理特性，生物化學(xué)特性，植入部位和組織特異性。例如，在軟骨組織再生中，內(nèi)源性細(xì)胞應(yīng)呈圓形形態(tài)，而在骨再生中，生物材料應(yīng)促進(jìn)細(xì)胞粘附，細(xì)胞應(yīng)呈紡錘形形態(tài)。類(lèi)似地，血管生成在血管化組織或器官如心臟、肌肉、腎臟、肝臟和肺的再生中是必要的，但是在血管化過(guò)程在軟骨和角膜的再生中應(yīng)該被抑制。此外，考慮特定組織類(lèi)型的內(nèi)源性干細(xì)胞和祖細(xì)胞的數(shù)量是否滿足要求也很重要，這對(duì)再生過(guò)程是及其關(guān)鍵的。因此，生物材料的生物物理和生化特性需要針對(duì)組織微環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提升再生質(zhì)量和速度。

圖2. (a)現(xiàn)有生物材料支架，其特性可以分為生物物理和生物化學(xué)兩類(lèi)。這兩個(gè)特性協(xié)同作用，促進(jìn)組織愈合。(b)生物物理特征包括本體特性，如粘彈性，剛度，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可降解性和表面特性（導(dǎo)向，粗糙度，電荷和親水性）。這些生物物理特性可以控制一系列細(xì)胞功能，包括粘附、遷移、增殖和分化。(c)生物化學(xué)特征包括生物材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及信號(hào)傳導(dǎo)生物分子(如蛋白質(zhì)，小分子藥物和重編程因子)的遞送。

工程生物材料如何調(diào)節(jié)原位組織再生

如前言所述，原位組織再生可分為通過(guò)細(xì)胞外信號(hào)刺激內(nèi)源性細(xì)胞或通過(guò)直接重編程細(xì)胞。該文章主要節(jié)選第一種方法，即通過(guò)細(xì)胞外模式引發(fā)細(xì)胞刺激組織再生。當(dāng)生物材料支架被植入時(shí)，血清蛋白吸附在其上改變了它的表面特性。內(nèi)源性免疫細(xì)胞附著在吸附的血清蛋白上，通過(guò)釋放細(xì)胞因子和趨化因子來(lái)啟動(dòng)促炎或抗炎反應(yīng)。這些因子募集了內(nèi)源性祖細(xì)胞和干細(xì)胞，這是原位組織再生的關(guān)鍵步驟。在募集完成后，內(nèi)源性細(xì)胞合成新的蛋白質(zhì)并將將其沉積在生物材料表面，這些蛋白是周?chē)��?xì)胞命運(yùn)的決定因素。同時(shí)內(nèi)源性細(xì)胞通過(guò)分泌基質(zhì)金屬蛋白酶不斷重塑局部ECM。重塑的ECM介導(dǎo)生物材料和內(nèi)源性細(xì)胞之間的雙向信號(hào)傳導(dǎo)。這種雙向相互作用可以通過(guò)控制植入生物材料的生物物理和生化特性來(lái)調(diào)節(jié)，直接影響細(xì)胞反應(yīng)和局部組織微環(huán)境。宿主血管的浸潤(rùn)和新生組織的生物物理特性決定了其功能的恢復(fù)。

圖3. (a)生物材料植入后的血清蛋白吸附影響免疫應(yīng)答。根據(jù)生物材料的生物物理和生物化學(xué)特性，免疫細(xì)胞啟動(dòng)促炎或抗炎反應(yīng)。免疫細(xì)胞釋放細(xì)胞因子和趨化因子有助于內(nèi)源性祖細(xì)胞的募集。這些內(nèi)源性細(xì)胞合成并沉積新生蛋白，然后浸潤(rùn)宿主血管化并促進(jìn)功能恢復(fù)。(b)生物材料的生物物理和生物化學(xué)線索可以通過(guò)募集特異性免疫細(xì)胞來(lái)指導(dǎo)免疫應(yīng)答。免疫調(diào)節(jié)因子的釋放可以改變局部免疫微環(huán)境，促進(jìn)組織再生。(c)生物材料的生物物理特性，如機(jī)械剛度、微孔結(jié)構(gòu)、表面粗糙度和降解，招募特定的內(nèi)源性細(xì)胞并促進(jìn)特異性分化。(d)內(nèi)源性細(xì)胞（免疫細(xì)胞和祖細(xì)胞和干細(xì)胞）可以呈遞特定的生物分子如細(xì)胞因子，細(xì)胞粘附蛋白和生長(zhǎng)因子來(lái)內(nèi)源性細(xì)胞的快速募集、遷移和浸潤(rùn)，從而促進(jìn)組織愈合和功能恢復(fù)。

3D打印將是未來(lái)的發(fā)展方向之一

在過(guò)去的幾年中，生物材料的發(fā)展取得了廣泛的進(jìn)展，以控制和指導(dǎo)自體再生潛力，包括有動(dòng)態(tài)生物材料，微創(chuàng)方法局部遞送，礦化生物材料，3D打印和基于組學(xué)的方法等。本推送節(jié)選了3D打印的相關(guān)內(nèi)容。

圖4. 未來(lái)生物材料發(fā)展的潛在方向

3D打印制造方法對(duì)生物材料進(jìn)行層層沉積，提供了對(duì)生物物理和生物化學(xué)信號(hào)的精確時(shí)空控制。具體而言，3D打印可以將特定的材料沉積成定制的形狀和圖案，以復(fù)制復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)，而這在傳統(tǒng)技術(shù)中是不可能的。這種材料的精確沉積概括了組織水平的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，可以促進(jìn)內(nèi)源性細(xì)胞的遷移和ECM的沉積，加速組織愈合。在這些打印結(jié)構(gòu)中加入治療性生物分子可以用于內(nèi)源性細(xì)胞歸巢。除了三維打印所需的一系列生物材料或墨水開(kāi)發(fā)外，還有多項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)了新的交聯(lián)方法來(lái)獲得具有高打印保真度、生物相容性、機(jī)械穩(wěn)定性和生物功能性的支架。

支架內(nèi)部的血管化是阻礙生物材料構(gòu)建體原位組織再生臨床轉(zhuǎn)化的主要限制因素。具有特定生化信號(hào)的預(yù)制血管網(wǎng)絡(luò)，如促血管生成分子，可以通過(guò)募集內(nèi)源性細(xì)胞來(lái)刺激快速血管生成和促進(jìn)支架血管化。然而，這些預(yù)制的血管結(jié)構(gòu)與宿主血管網(wǎng)絡(luò)的吻合能力有限，需要克服這一點(diǎn)才能在植入的構(gòu)建體內(nèi)賦予功能。通過(guò)在3D打印的結(jié)構(gòu)中加入特定的生物化學(xué)因子，如粘附配體和治療分子，可以促進(jìn)與宿主血管的整合。

生物材料很難被加工出微米級(jí)的復(fù)雜特征。具體來(lái)說(shuō)，并非所有的生物材料都具有剪切變稀能力和較好的可恢復(fù)性，這意味著高保真度的構(gòu)造難以實(shí)現(xiàn)。為了克服這些局限性，已有研究開(kāi)發(fā)了諸如在懸浮打印，原位交聯(lián)以及剪切稀釋改性劑等方法。然而，兼容3D 打印技術(shù)的新交聯(lián)機(jī)理和凝膠動(dòng)力學(xué)，需要進(jìn)一步研究。使用點(diǎn)擊化學(xué)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)生物材料的性能以及使用微凝膠作為生物墨水打印大孔結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究預(yù)計(jì)將激增。

總的來(lái)說(shuō)，3D打印技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步是非常值得期待的，有望進(jìn)一步利用該技術(shù)控制生物物理和生物化學(xué)信號(hào)來(lái)刺激原位組織再生。

參考文獻(xiàn)

A.K. Gaharwar, I. Singh, A. Khademhosseini, Engineered biomaterials for in situ tissue regeneration, Nat. Rev. Mater. 5 (2020) 686–705. https://doi.org/10.1038/s41578-020-0209-x.