《AS》北大胡晓青/敖英芳：新型水凝胶实现高效软骨和软骨下骨再生

临床实践中，由于关节软骨和软骨下骨的生物学特性不同，骨软骨缺损修复存在一定难度。因此，阐明空间微环境特异性仿生支架如何同时用于骨软骨组织再生是一个重要的研究课题。

2023年7月9日，北京大学胡晓青及敖英芳共同通讯在Advanced Science 在线发表题为 “3D Printing of Microenvironment-Specific Bioinspired and Exosome-Reinforced Hydrogel Scaffolds for Efficient Cartilage and Subchondral Bone Regeneration” 的研究论文。该研究报道了一种新型仿生双网络水凝胶支架，通过3D打印组织特异性脱细胞细胞外基质（DECM）和人脂肪间充质干细胞（MSC）来源的外泌体制备而成。

基于生物活性外泌体的持续释放，仿生水凝胶支架在体外促进大鼠骨髓MSC的附着、扩散、迁移、增殖以及软骨和成骨分化。此外，3D打印的微环境特异性异质双层支架有效地促进了大鼠临床前模型中软骨和软骨下骨组织的同时再生。综上所述，包含外泌体的ECM微环境特异性3D仿生材料，可以作为对损伤或退变关节进行干细胞治疗时的新型无细胞策略，为复杂带状组织的再生提供了一个潜在平台，同时具有一定的临床转化潜力。

在接受关节镜检查的患者中，关节软骨病变的发生率大于60%。软骨的无血管性质和低细胞密度使其自我修复能力有限。关节软骨组织将关节表面与软骨下骨连接起来，临床中软骨损伤经常深入到相关的软骨下骨，从而导致骨软骨（OC）缺陷，发生剧烈疼痛、运动障碍和退行性关节疾病，该情况影响了全球数百万人。目前引入微骨折和自体软骨细胞植入等临床方法，适用于关节表面软骨的修复，但并不适合治疗OC缺陷。软骨和软骨下骨组织具有不同的生物谱系和生理学特性，而有效修复整个OC缺陷仍面临巨大挑战。最近，利用生物陶瓷、金属和聚合物生物材料修复OC缺损区的组织工程技术取得了一定进展，但均匀支架不具有OC基质的复杂性。因此，制备与天然OC组织相似的软骨和成骨微环境的空间仿生双层支架，同时再生软骨和软骨下骨组织，是一种有效但具有挑战性的研究策略。

细胞外基质（ECM）是细胞增殖、分化和维持生理活动的重要微环境。理想情况下，用于组织工程的仿生支架能够提供这一微环境以模拟ECM的固有特性。脱细胞ECM（dECM）是完全模拟天然ECM复杂性的最佳候选材料之一。先前的研究表明，dECM可以促进间充质干细胞（MSC）的募集和分化，调节巨噬细胞极化，促进组织修复且无生物毒性。虽然软骨（DCM）、骨（DBM）、腹膜、真皮和小肠黏膜下层等均可用于损伤后软骨组织的修复，但来源于不同组织的dECM可能不是再生关节复杂OC区域的最佳修复材料。最近的证据表明，来源于特定区域、组织或器官的dECM可以引导祖细胞向相应原始谱系的表型分化。

因此，OC区再生的理想方案是利用常驻生物活性细胞重建类似于位点特异性亲本组织的自然空间微环境，即用于软骨重建的DCM和用于软骨下骨重建的DBM。使用冷冻干燥等传统组织工程技术构建分层OC支架存在一定困难，3D打印已成为精确构建具有复杂空间结构的组织或器官的理想策略，尽管打印纯dECM水凝胶也具有一定挑战性，如纯dECM水凝胶的机械性能较弱，不足以维持多层（逐层）支架打印。 此外，纯dECM水凝胶相对较快的降解特性不利于生长周期较长的组织再生过程，需要引入明胶、透明质酸（HA）、海藻酸盐、胶原及其衍生物（或其混合物）等生物材料，以更好地利用3D打印制备dECM水凝胶。

用于修复骨软骨（OC）缺陷的微环境特异性仿生水凝胶支架3D打印示意图（摘自Advanced Science ）

骨髓间充质干细胞疗法为软骨和骨骼疾病的治疗提供了一种有效方式，尽管其临床转化和应用存在免疫抑制和体内分化谱系不明等局限性。外泌体（也称为细胞外囊泡）直径约为40-160 nm，可有效将生物活性物质分子（蛋白质、代谢物和核酸）递送到受体细胞，有效调节其生物学反应。作为修复受损组织的天然纳米颗粒或药物递送载体，外泌体有望成为下一代纳米医学方法。先前的研究表明，多次注射由间充质干细胞来源的外泌体可以加速软骨再生。因此，一些研究人员开发了封装或涂有外泌体的支架，以促进软骨或骨的再生。据作者所知，尚未有研究将外泌体从仿生空间生物微环境中释放出来，以高效实现同时修复软骨和软骨下骨缺损。

该研究开发了一种新型空间水凝胶支架，包含了负载外泌体的3D打印双层结构，提供了具有双重网络的组织特异性微环境。与甲基丙烯酸酯明胶（GelMA）交联会形成刚性和脆性的第一重网络，其中希夫碱键可以建立柔软且具有延展性的第二重网络。该团队通过体外研究验证了支架的生物活性以及软骨和成骨特性，并在OC缺陷大鼠模型中实现了软骨和软骨下骨的再生。

参考消息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202303650