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，其中所用的生物材料可控釋放生物物理和生物化學信號，以引導內源性細胞到損傷部位并通過調節(jié)細胞外微環(huán)境或驅動細胞重編程來誘導組織再生。近日，一篇名為“Engineered biomaterials for in situ tissue regeneration”的文章由加利福尼亞大學洛杉磯分校的Ali Khademhosseini教授研究團隊在頂級期刊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計方法來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內源性細胞(包括免疫細胞，祖細胞或干細胞)能力的生物反應材料，以促進組織愈合、整合和再生。第二種方法側重于原位細胞重編程。具體方法有轉錄因子遞送，RNA治療，體內基因編輯和生物材料驅動的表觀遺傳轉化�？傊�，通過工程生物材料激發(fā)自體再生潛力是一種用于治療受傷或患病組織的簡單有效的途徑。本推送對其綜述部分內容進行節(jié)選。

原位組織再生

包括人類在內的所有生物體都能夠通過分子過程進行再生，分子過程由控制再生、恢復和生長的基因表達程序控制。利用人體再生能力結合工程生物材料完成復雜組織的體內再生，被稱為原位組織再生。具體地，工程生物材料需要載有生物活性信號用來指導內源性祖細胞或干細胞遷移并幫助愈合受損組織。該過程中，生物材料提供了一個結構框架，以促進宿主干細胞和祖細胞的附著和遷移，并驅動這些細胞分化成特異性組織細胞。與此相對的是離體組織工程，將支架與體外的細胞、生物分子等結合以獲得用于植入的細胞載體組織構建體，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之前進行細胞預接種和體外培養(yǎng)。(b)原位組織再生使用生物活性材料和自體再生能力。負載有生物化學和生物物理信號的活性材料可以募集內源性細胞并促進愈合。

工程生物材料

用于原位組織再生的支架包括均質材料、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、金屬和復合材料。這些來源于合成、天然或組合來源的材料必須有對生物信號做出反應的能力，并可與免疫系統(tǒng)和內源性細胞相互作用以刺激再生。這些響應性生物材料可以通過其生物物理和生物化學特性與身體相互作用，其通過調節(jié)免疫系統(tǒng)并控制內源性細胞(從瘢痕形成到完全再生)的動力學和愈合程度來改變局部組織微環(huán)境，需要考慮的因素如下圖所示。

在具體的應用中往往要綜合考慮生物材料的生物物理特性，生物化學特性，植入部位和組織特異性。例如，在軟骨組織再生中，內源性細胞應呈圓形形態(tài)，而在骨再生中，生物材料應促進細胞粘附，細胞應呈紡錘形形態(tài)。類似地，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，但是在血管化過程在軟骨和角膜的再生中應該被抑制。此外，考慮特定組織類型的內源性干細胞和祖細胞的數(shù)量是否滿足要求也很重要，這對再生過程是及其關鍵的。因此，生物材料的生物物理和生化特性需要針對組織微環(huán)境進行設計，以提升再生質量和速度。

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兩類。這兩個特性協(xié)同作用，促進組織愈合。(b)生物物理特征包括本體特性，如粘彈性，剛度，拓撲結構，可降解性和表面特性（導向，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胞功能，包括粘附、遷移、增殖和分化。(c)生物化學特征包括生物材料的化學結構以及信號傳導生物分子(如蛋白質，小分子藥物和重編程因子)的遞送。

工程生物材料如何調節(jié)原位組織再生

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

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

3D打印將是未來的發(fā)展方向之一

在過去的幾年中，生物材料的發(fā)展取得了廣泛的進展，以控制和指導自體再生潛力，包括有動態(tài)生物材料，微創(chuàng)方法局部遞送，礦化生物材料，3D打印和基于組學的方法等。本推送節(jié)選了3D打印的相關內容。

圖4. 未來生物材料發(fā)展的潛在方向

3D打印制造方法對生物材料進行層層沉積，提供了對生物物理和生物化學信號的精確時空控制。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，以復制復雜的組織結構，而這在傳統(tǒng)技術中是不可能的。這種材料的精確沉積概括了組織水平的宏觀結構和微觀結構，可以促進內源性細胞的遷移和ECM的沉積，加速組織愈合。在這些打印結構中加入治療性生物分子可以用于內源性細胞歸巢。除了三維打印所需的一系列生物材料或墨水開發(fā)外，還有多項研究開發(fā)了新的交聯(lián)方法來獲得具有高打印保真度、生物相容性、機械穩(wěn)定性和生物功能性的支架。

支架內部的血管化是阻礙生物材料構建體原位組織再生臨床轉化的主要限制因素。具有特定生化信號的預制血管網(wǎng)絡，如促血管生成分子，可以通過募集內源性細胞來刺激快速血管生成和促進支架血管化。然而，這些預制的血管結構與宿主血管網(wǎng)絡的吻合能力有限，需要克服這一點才能在植入的構建體內賦予功能。通過在3D打印的結構中加入特定的生物化學因子，如粘附配體和治療分子，可以促進與宿主血管的整合。

生物材料很難被加工出微米級的復雜特征。具體來說，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性，這意味著高保真度的構造難以實現(xiàn)。為了克服這些局限性，已有研究開發(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 打印技術的新交聯(lián)機理和凝膠動力學，需要進一步研究。使用點擊化學動態(tài)調節(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構的相關研究預計將激增。

總的來說，3D打印技術領域的進步是非常值得期待的，有望進一步利用該技術控制生物物理和生物化學信號來刺激原位組織再生。

參考文獻

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.