擠出式生物3D打印構(gòu)建3D支架，探究共生微巣促進(jìn)骨缺損愈合機(jī)制

來源： EngineeringForLife

由急性創(chuàng)傷、感染 、腫瘤切除或先天性疾病造成的骨不連及骨缺損是常見的骨科疾病，也是骨科治療的難題。而3D打印支架已經(jīng)顯示出促進(jìn)組織修復(fù)的優(yōu)越性，但是，支架材料促進(jìn)骨損傷愈合的作用機(jī)制以及不同材料組分的3D打印支架植入后激活細(xì)胞水平特異性分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)還有待揭示。而了解不同3D支架材料植入后對骨修復(fù)進(jìn)程的調(diào)節(jié)機(jī)制以及再生組織中不同細(xì)胞行為及功能的改變調(diào)節(jié)機(jī)制，對于揭示促進(jìn)骨修復(fù)的細(xì)胞行為變化、基因表達(dá)以及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)具有重要的意義。

來自上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院的鄧廉夫團(tuán)隊(duì)利用EFL擠出式生物3D打印機(jī)（EFL-BP-6601）制備三種3D支架并通過生物學(xué)功能的改變評估了其生物材料提供的共生微巣對細(xì)胞功能以及骨再生過程的特異性調(diào)控機(jī)制。通過RNA-Seq技術(shù)，在轉(zhuǎn)錄水平解析3D支架材料對于組織再生過程基因表達(dá)的影響，通過基因功能分析獲得Hydrogel、PCL和β-TCP支架材料的生物學(xué)特性(圖1)。相關(guān)研究“Transcriptome Analysis Revealed the Symbiosis Niche of 3D Scaffolds to Accelerate Bone Defect Healing”發(fā)表于《Advanced Science》雜志上。

圖1 轉(zhuǎn)錄水平分析揭示了Hydrogel、PCL和β-TCP 3D打印支架促進(jìn)骨缺損愈合作用

研究人員首先評估了三種支架的制備工藝，掃描電鏡（SEM）顯示了三種支架不同的微觀結(jié)構(gòu)(圖2)。并通過細(xì)胞活/死染色和CCK8實(shí)驗(yàn)表明了Hydrogel、PCL和β-TCP 3D打印支架具有良好的生物相容性(圖3)。

圖2 Hydrogel、PCL和β-TCP支架的構(gòu)建

圖3 Hydrogel、PCL和β-TCP支架的生物相容性

為了評估Hydrogel、PCL和β-TCP 3D打印支架在缺陷處促進(jìn)骨再生的功能，通過支架體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)評估和量化了新骨形成的差異，發(fā)現(xiàn)支架的植入加速了骨愈合(圖4)。利用組織學(xué)分析對比了Hydrogel、PCL、β-TCP以及無支架組，染色結(jié)果顯示了支架的植入促進(jìn)了軟骨痂中骨化中心、新骨、血管和纖維組織的形成(圖5)。而轉(zhuǎn)錄水平分析表明了Hydrogel、PCL和β-TCP支架具有加速骨愈合的功能(圖6)。

圖4 Hydrogel、PCL和β-TCP支架材料骨再生的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)評估

圖5 Hydrogel、PCL和β-TCP支架在缺陷區(qū)新形成組織的組織形態(tài)學(xué)分析

圖6 轉(zhuǎn)錄水平分析Hydrogel、PCL和β-TCP支架

為了在生物過程、細(xì)胞成分和分子功能水平上分析差異表達(dá)基因（DEGs）的功能，研究人員使用了GO富集分析以及KEGG富集分析(圖7、8)揭示了DEGs的功能，并通過轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)解碼不同支架材料對于骨再生修復(fù)過程關(guān)鍵細(xì)胞與分子調(diào)控的影響(圖9)。

圖7 DEGs支架組與對照組的GO富集分析

圖8 DEGs支架組與對照組的KEGG富集分析

圖9 轉(zhuǎn)錄水平分析Hydrogel、PCL和β-TCP支架組中信號轉(zhuǎn)導(dǎo)差異

為揭示不同組中DEGs編碼的蛋白質(zhì)功能，進(jìn)行了蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)（PPI）分析(圖10)，結(jié)果顯示細(xì)胞分裂周期蛋白(Cdc蛋白家族)在Hydrogel和PCL組中富集。

圖10 蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)（PPI）分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證Hydrogel、PCL和β-TCP對由支架、細(xì)胞和再生組織組成的共生微巣對于骨愈合過程的調(diào)節(jié)功能，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)以及組織形態(tài)學(xué)分析顯示了Hydrogel、PCL和β-TCP支架可加速骨愈合過程(圖11)。

圖11 體內(nèi)外支架對共生微巣中細(xì)胞或組織的調(diào)節(jié)作用

綜上，本文初步探究了三種材料在植入骨缺損部位后與細(xì)胞和周圍組織形成的共生微巣對于骨愈合過程軟骨痂向硬骨痂轉(zhuǎn)變階段的轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)作用，并揭示了不同材料的特異性功能。并嘗試使用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)解碼不同支架材料對于骨再生修復(fù)過程關(guān)鍵細(xì)胞與分子調(diào)控的影響，為后續(xù)應(yīng)用于骨再生的生物支架材料設(shè)計(jì)及骨再生過程的特異性調(diào)控提供思路。而進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究需要通過分子生物學(xué)方法，對支架材料植入體內(nèi)后發(fā)揮的作用機(jī)制與可能產(chǎn)生的副作用進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)一步闡明其作用機(jī)制，促進(jìn)其形成工程化產(chǎn)品并應(yīng)用于臨床的進(jìn)程。此外，在后續(xù)的支架材料設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)作用機(jī)理，精細(xì)設(shè)計(jì)支架材料，充分利用不同材料的特性，提高材料使用的安全性與組織再生的高效性。

文章來源：http://dx.doi.org/10.1002/advs.202105194