《Bioact. Mater.》四川大学华西医院解慧琪综述：组织工程中的水凝胶-外泌体系统——一种有前途的治疗策略

近期，四川大学华西医院干细胞与组织工程研究中心/骨研所/生物治疗全国重点实验室解慧琪团队在科爱创办的期刊Bioactive Materials上发表综述文章：组织工程中的水凝胶-外泌体系统——一种有前途的治疗策略。综述了过去十年来水凝胶-外泌体系统在皮肤、骨与软骨、神经和肌腱等组织修复中的研究进展，重点介绍了水凝胶中外泌体的封装和释放方法。此外，文中还客观地分析了目前研究中存在的挑战，并对这一创新方法未来的发展方向和潜在应用进行了展望。

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研究内容简介

外泌体作为药物载体在多种疾病模型治疗方面表现出显著效果和潜在临床价值，但分离、装载和释放过程中存在的技术难题可能妨碍其临床应用。此外，高生产成本、耗时的过程以及外泌体在体内的低保留率和不稳定性均制约其临床大规模应用。水凝胶有良好的生物相容性和可调节的物理化学特性，可作为外泌体传递的理想载体。通过水凝胶，可以更精确地控制外泌体的释放，同时某些水凝胶本身就具有调节细胞黏附、增殖和分化的作用。因此，水凝胶与外泌体的协同效应可进一步增强治疗效果。本文全面探讨了水凝胶-外泌体系统在组织工程领域的最新进展，并提出了这种创新方法的未来方向和潜在应用（图1）。

图1：用于组织工程和再生医学的水凝胶-外泌体系统的示意图

一、外泌体来源

自然界几乎所有的生物都可以产生外泌体，如哺乳动物（免疫细胞、肿瘤细胞和干细胞）、植物、微生物（如细菌和真菌）等。外泌体通过封装和运输蛋白质、脂质、RNA和其他分子来介导细胞间的通讯，在疾病进展、免疫调节、组织再生等生物过程中发挥着关键作用。由于外泌体具有不同的来源和复杂的功能，因此在生物医学领域具有巨大的潜力。本文首先比较了来自不同动物细胞、植物和微生物的外泌体的生物学功能（表1）。

表1不同来源的外泌体的生物学功能比较

二、水凝胶-外泌体系统在组织工程中的优势

2.1 水凝胶概述

从20世纪80年代开始，学术研究越来越多地深入研究外泌体和水凝胶。水凝胶是一种具有独特的三维网络结构的高亲水材料，通常具有良好的生物相容性和可调节的物理化学性质，有助于调节外泌体的负载和释放行为。我们从外泌体在水凝胶中的加载和释放策略两方面详细综述了水凝胶和外泌体之间的相互作用。

2.2 外泌体在水凝胶中的加载策略

2.2.1物理方法

这种方法包括通过物理吸附将外泌体整合到水凝胶中，这是组织工程和药物传递中装载外泌体的首选方法（图2）。这个过程简单来说就是将水凝胶浸泡在外泌体保存溶液中，从而使外泌体通过非共价作用吸附到水凝胶中。影响吸附效率的关键因素有水凝胶的孔隙率、外部环境因素以及外泌体和水凝胶的表面电荷和亲疏水性等特性。然而，与化学交联相比，物理吸附需要特定的条件来实现有效吸附和最佳释放。

图2：(a)外泌体物理结合到水凝胶的示意图和(b)释放曲线

2.2.2化学方法

2.2.2.1共价交联

共价交联涉及到在水凝胶基质和外泌体之间通过化学反应形成稳定的化学键。使用交联剂是建立这些共价键的常用方法。例如，EDC/ NHS可以激活羧酸基与氨基形成酰胺键。这使得外泌体表面的蛋白质可以共价地连接到氨基酸侧链或其他引入水凝胶的含胺化合物上。使用生物相容性交联剂有助于外泌体与水凝胶基质的稳定整合，同时保持其生物活性。

2.2.2.2 自组装肽交联

自组装肽技术利用了短肽序列的内在功能，自发地形成纳米纤维，从而建立一个三维的水凝胶网络。通过识别具有特定序列的多肽，外泌体可以通过在凝胶化期间或之后的共价或非共价相互作用（如静电吸引或氢键）有效地封装在水凝胶基质中。然而，由于外泌体的大小分布范围通常在40-160nm之间，并且包裹在脂质双层膜内，自组装肽的封装受到空间约束的显著影响。

2.2.2.3 表面功能化

表面功能化通常是指在水凝胶表面引入特定的官能团(如抗体、亲和配体等)，从而增强外泌体和水凝胶之间的特异性结合。这种方法不仅提高了外泌体的加载效率，而且能够选择性地封装和实现特定外泌体类型的释放（图3）。

图3：将外泌体装载进水凝胶中的化学策略。(a)基于共价交联的方法。(b)自组装肽交联。(c)表面功能化。

2.3 外泌体在水凝胶中的释放策略

由于表面结合的外泌体更容易释放，水凝胶的外泌体释放的开始阶段通常十分快速。在内部扩散动力学和水凝胶降解的驱动下，这个阶段将转变为一个较慢的、稳定状态的“平台期”。水凝胶的交联密度、孔径和降解速率会显著影响外泌体释放和平台期形成的动力学。水凝胶内外泌体的空间分布和负荷可能进一步决定了平台的开始和持续时间，我们强调了这些因素在调节外泌体释放中的重要性。

2.3.1 被动扩散

外泌体在水凝胶中的被动扩散通常是由水凝胶的膨胀或水解降解驱动的（图4）。一般来说，外泌体的释放速率可能会受到控制水凝胶的交联密度的影响，从而影响其孔隙结构。较高的密度可能导致较小的孔隙和较慢的释放速率。另一种方法是考虑调整水凝胶交联组分的分子量和交联密度，以实现对外泌体释放时间的更精确控制，适应组织修复的各种关键时间点。

图4：(a)基于水凝胶水解降解的外泌体的被动扩散。经裁判许可转载。(b)在不同分子量和交联浓度的水凝胶中外泌体的释放曲线。

2.3.2 环境响应型释放

外泌体在水凝胶中的环境响应性释放是一种智能药物传递策略，它允许外泌体释放以响应特定的生物或物理化学环境变化。该方法采用了特殊设计的水凝胶材料，以确保在正确的时间和目标位置有有效的外泌体释放。用于外泌体传递的水凝胶可以响应环境变化，如温度、光热效应、pH、过氧化氢、酶和葡萄糖(图5)。

图5：环境响应性水凝胶中外泌体释放的示意图。

三、水凝胶-外泌体系统在组织修复和再生中的应用

3.1 皮肤组织再生

皮肤是与环境接触的主要界面，在保护身体免受环境不良影响方面起着至关重要的作用。然而，各种皮肤损伤，特别是在糖尿病导致慢性伤口和难愈性溃疡的情况下，可能会阻碍正常的愈合过程。因此，皮肤组织再生和修复领域的重点一直是促进受损皮肤结构和功能的恢复。皮肤创面的愈合涉及四个阶段：止血、炎症、增殖和重塑，每个阶段都需要密切协调的生物过程，以确保皮肤屏障的基本功能。装载了来自各种组织和/或细胞来源的外泌体的水凝胶对动物模型显示出了良好的治疗效果，特别是糖尿病创面和全层皮肤缺损（图6）。

图6：水凝胶-外泌体系统在皮肤组织工程中的设计与应用。(a)搭载外泌体的水凝胶微针，具有抗菌特性。(b)含有ADSC-Exos的细胞外基质水凝胶可促进伤口愈合。

3.2 骨与软骨组织再生

水凝胶-外泌体系统在骨与软骨组织工程中已在多种动物模型中展现出优异的修复效果，如骨关节炎、骨缺损、椎间盘退变和骨折等。在所有这些模型中，水凝胶-外泌体系统在成骨成血管耦合、延缓细胞衰老和促进功能性骨再生方面展现出良好的能力（图7）

图7：水凝胶-外泌体系统在骨和软骨组织工程中的设计与应用。(a)骨关节炎。(b)骨缺损。(c)椎间盘退变。(d)骨折。

3.3 神经组织再生

水凝胶-外泌体系统在神经组织工程中已被用于多种动物模型中，如脊髓损伤、大脑中动脉闭塞、创伤性脑损伤等。在所有这些模型中，水凝胶-外泌体系统在抑制小胶质细胞炎症、促进血管新生和促进功能性神经再生方面表现出良好的能力（图8）。

图8：水凝胶-外泌体系统在神经组织工程中的设计与应用。(a)脊髓损伤。(b)大脑中动脉闭塞。(c)创伤性脑损伤。

3.4 肌腱组织再生

肌腱是一种连接肌肉和骨骼的密集结缔组织，在将肌肉产生的力传递到骨骼结构中起着至关重要的作用。在肌腱组织工程中，需要水凝胶-外泌体系统具有适当的力学强度和弹性，以承受肌腱在运动过程中所承受的拉伸和压缩应力，并提供必要的机械支持。同时，应当减少修复过程中的炎症反应，并抑制过度的瘢痕形成，促进健康肌腱组织的再生（图9）。

图9：水凝胶-外泌体系统在肌腱组织工程中的设计与应用。(a)在大型动物猪尿失禁模型中的应用。(b)用仿生生物可降解支架模拟肌腱环境。

最后作者指出，在外泌体的生产过程通过适当的纯化方法来提高提取的效率和质量，探索获得外泌体的替代来源，并通过适当的预处理方法改善其生物学功能是至关重要的。同时，深入了解水凝胶的物理化学特性，定制和优化水凝胶材料，以适应不同的临床需求，并达到更精确和可控的外泌体释放的目的。这些策略有助于推进水凝胶-外泌体系统的临床应用（图10）。

图10：水凝胶-外泌体系统在再生医学中的前景示意图。

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论文第一/通讯作者简介

通讯作者：解慧琪

解慧琪，研究员、博士生导师，四川大学华西医院生物治疗全国重点实验室干细胞与组织工程研究中心主任，骨科研究所副所长。“教育部重要人才计划”特聘教授，四川省学术和技术带头人，天府科技领军人才，首届转化医学创新奖获得者，国家重点研发计划项目首席科学家。长期从事组织工程学研究，致力于组织修复再生及细胞外基质材料研究与转化。主持包括国家重点研发计划、国家自然科学基金等在内的30余项课题，以第一/通信作者发表学术论文110余篇，主编英文专著1部，参编10余部，获国家发明专利授权30余项。带领团队将研究成果成功转化，获批国家药品监督管理局三类医疗器械产品注册证书5项，另有5项正在进行多中心临床试验。

第一作者：范明慧

范明慧，四川大学华西医院生物治疗全国重点实验室细胞生物学专业硕士研究生，主要研究方向为软组织再生及修复。目前以第一作者在Bioactive Materials上发表论文1篇，参加学术会议3次。

第一作者：皮晋魁

皮晋魁，四川大学华西医院新川科技园公共技术平台技术人员，主要负责细胞生物学技术、显微图像技术的公共服务及平台管理。目前以第一作者（包括共同第一）在Bioact Mater 、Sci China Life Sci、Int J Biol Macromol等期刊发表论文7篇，曾获得华西医院“优秀规范化培训科研技师”、“先进个人”等奖励。

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资助信息

该研究获四川省自然科学基金（2024NSFSC0002）、天府锦城实验室前沿医学中心基金（TFJC2023010002）、四川大学华西医院“1.3.5”优秀学科项目（ZYGD23037）的资助和支持。

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原文信息

Fan, M. H., Pi, J. K., Zou, C. Y., Jiang, Y. L., Li, Q. J., Zhang, X. Z., Xing, F., Nie, R., Han, C., & Xie, H. Q. (2024).

Hydrogel-exosome system in tissue engineering: A promising therapeutic strategy.

Bioactive materials, 38, 1–30. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.04.007

来源：四川医学科教