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上海硅酸鹽所在3D打印生物陶瓷/多細(xì)胞支架用于免疫調(diào)節(jié)肌腱

來源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2024年12月07日 11:42

近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在免疫多細(xì)胞支架用于肌腱-骨修復(fù)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)通過多細(xì)胞打印技術(shù)將硅酸錳（MS）納米顆粒與肌腱/骨相關(guān)細(xì)胞相結(jié)合，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了具有免疫調(diào)控功能的多細(xì)胞支架，用于肌腱和骨的一體化再生（如圖1）。該免疫調(diào)節(jié)支架不僅在體外展現(xiàn)出多樣性的生物活性，而且在多種肩袖損傷（RCT）動(dòng)物模型中實(shí)現(xiàn)了免疫調(diào)節(jié)、多組織一體化再生和運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。

肌腱-骨界面的獨(dú)特結(jié)構(gòu)可有效緩解應(yīng)力集中，在人體運(yùn)動(dòng)功能中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)發(fā)生損傷時(shí)，由于生理結(jié)構(gòu)復(fù)雜和再生能力差，臨床手術(shù)治療往往會(huì)導(dǎo)致界面處瘢痕組織形成，提高再次損傷幾率。傳統(tǒng)的生物材料傾向于增強(qiáng)與肌腱-骨直接相關(guān)的生物功能，如成骨分化或肌腱分化，但損傷部位三維微環(huán)境，尤其是體內(nèi)免疫細(xì)胞引發(fā)的炎癥反應(yīng)，同樣至關(guān)重要。根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)，減少 M1巨噬細(xì)胞在肌腱-骨界面的聚集并誘導(dǎo) M2巨噬細(xì)胞極化，可以獲得更優(yōu)的組織學(xué)和生物力學(xué)特性。但由于界面處的高負(fù)荷和高壓力，巨噬細(xì)胞的 M1 和 M2 在肌腱-骨界面的轉(zhuǎn)化存在延遲，能夠?qū)е侣匝装Y。因此，開發(fā)出兼具多再生活性和免疫調(diào)節(jié)功能的組織工程支架對(duì)于肌腱-骨天然結(jié)構(gòu)恢復(fù)至關(guān)重要。

研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合多細(xì)胞3D打印技術(shù)與硅酸錳（MS）納米顆粒，構(gòu)建了免疫多細(xì)胞支架，其中肌腱干/祖細(xì)胞（TSPCs）和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）以分層方式分布在支架中，實(shí)現(xiàn)了肌腱-骨界面的模擬。得益于多細(xì)胞分布和MS納米顆粒，免疫多細(xì)胞支架在體外同時(shí)展現(xiàn)了出色的成骨和成肌腱雙向分化活性（圖2）。此外，多細(xì)胞支架在兔和大鼠的RCT模型中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了免疫調(diào)節(jié)、界面微結(jié)構(gòu)再生和運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)（圖3）。將免疫多細(xì)胞支架植入巨噬細(xì)胞耗竭的大鼠體內(nèi)，進(jìn)一步揭示了免疫調(diào)節(jié)在多細(xì)胞支架的特異性分化中的作用。此外，通過對(duì)其免疫生物學(xué)機(jī)制的探索，免疫多細(xì)胞支架能夠穩(wěn)定釋放Mn離子刺激巨噬細(xì)胞分泌 PGE2，從而增強(qiáng)多細(xì)胞的特異性分化（圖4）。免疫多細(xì)胞支架的構(gòu)建為軟硬組織界面的一體化再生提供了一種前景廣闊的新策略。

該研究成果近日發(fā)表在Science Advances期刊上（Science Advances, 2024, 10, eadk6610），文章題為“Immunomodulatory Multicellular Scaffolds for Tendon-to-Bone Regeneration”，并申請(qǐng)發(fā)明專利一項(xiàng)。論文第一作者為上海硅酸鹽所碩士研究生杜琳和博士研究生吳金福，通訊作者為吳成鐵研究員。

圖1. 基于硅酸錳（MS）納米顆粒的免疫多細(xì)胞支架用于肌腱-骨一體化再生的示意圖。

圖2. 免疫多細(xì)胞支架內(nèi)BMSCs 的成骨分化和 TSPCs 的成肌腱分化。含有不同濃度 MS 納米顆粒的多細(xì)胞支架的（A）堿性磷酸酶（ALP）染色結(jié)果和（B）茜素紅 S（ARS）染色。（C）培養(yǎng) 7 天和（D）14 天后 ALP 染色的半定量分析；（E）培養(yǎng) 14 天和（F）21 天后 ARS 染色的半定量分析。（G）培養(yǎng) 14 天后含有不同濃度MS 納米顆粒的多細(xì)胞支架中TSPCs 的成肌腱分化相關(guān)細(xì)胞因子的分泌情況。在含有不同濃度 MS 納米顆粒的多細(xì)胞支架中，BMSCs 中（H）OPN 蛋白和 TSPCs 中（I）TNMD 蛋白的表達(dá)情況。相應(yīng)的（J）OPN 和（K）TNMD 蛋白表達(dá)的半定量分析。

圖3. 基于 MS 納米顆粒的免疫多細(xì)胞支架實(shí)現(xiàn)了對(duì)大鼠RCT的免疫調(diào)節(jié)和功能恢復(fù)。（A）大鼠 RCT 示意圖。（B）植入支架周圍巨噬細(xì)胞中 M2 極化相關(guān)標(biāo)記物（Arg-1/CD68）的免疫熒光染色圖像。（C）Arg-1 陽性巨噬細(xì)胞與巨噬細(xì)胞總數(shù)的數(shù)量比。（D）不同組術(shù)后 8 周的爪印。不同組支架治療的大鼠量化的（E）空間步態(tài)參數(shù)和（F）爪參數(shù)。（G）治療后的大鼠的肩袖生物力學(xué)測試圖像。不同支架治療后肩袖的（H）最大破壞載荷和（I）韌性。

圖 4. 基于 MS 納米顆粒的免疫多細(xì)胞支架的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制。（A）多細(xì)胞支架與 RAW 264.7 細(xì)胞共培養(yǎng)示意圖。（B）與 RAW 264.7 細(xì)胞共培養(yǎng) 7 天后，多細(xì)胞支架中 BMSCs 的成骨分化相關(guān)基因表達(dá)情況；（C）TSPCs 的成肌腱分化相關(guān)基因表達(dá)情況。（D）多細(xì)胞支架與 RAW 264.7 細(xì)胞共培養(yǎng)第 7 天時(shí)培養(yǎng)液中的 PGE2的濃度。（E）與多細(xì)胞支架共培養(yǎng) 7 天后 RAW 264.7 細(xì)胞的促炎基因和（F）抗炎基因的表達(dá)。巨噬細(xì)胞在含Mn離子梯度濃度的培養(yǎng)基中培養(yǎng) 4 天（G）和 7 天（H）后的 PGE2 的表達(dá)。用 Mn2+/巨噬細(xì)胞條件培養(yǎng)基或含 PGE2 培養(yǎng)基培養(yǎng)后，TSPCs（I）和 BMSCs（J）成肌腱細(xì)胞因子和成骨細(xì)胞因子的分泌情況。

來源：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所

編輯：zy

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