湖南大学刘海蓉、周征等《AFM》：细胞胶囊递送策略，为细胞“治病”量体裁衣！

组织工程学 与 3D 打印生物 墨水的发展 为组织再生提供 新思路。但 当前生物墨水存在功能单一、适配性不足等问题，难以满足 病理微环境下缺损修复的难题。开发药物递送生物墨水或许可以针对不同病理微环境进行治疗，但药物与递送材料进行物理共混会导致药物突释和细胞刺激，而化学接枝可能会破坏药物的官能团，降低其药理活性；自组装的纳米颗粒和微球往往面临体内难以降解的风险。

为了解决这一问题，湖南大学刘海蓉、周征团队开发了一种细胞胶囊递送策略，以关节软骨损伤作为实验模型，氧化应激环境作为病理模型，开发载安石榴苷细胞胶囊多功能生物墨水。该生物墨水具有加速软骨再生、抗氧化、抑菌等功能，在组织工程与临床应用领域具有巨大应用潜力。该研究以题为 “ Cellular Capsule Delivery Bioink with Punicalagin-Loaded Chondrocyte Membrane Vesicles for Tissue Engineering Therapy ” 的论文发表在最新一期《 Advanced Functional Materials 》上 ，硕士研究生于梦依为第一作者 。

关节中受损软骨的修复是临床治疗面临的一大挑战，因为病理状况会阻碍由炎症因子和活性氧（ROS）引起的软骨再生。为了解决这一难题，作者开发了一种细胞胶囊递送生物墨水。通过丙烯酸酯-聚（乙二醇）-琥珀酰亚胺酯（AC-PEG-NHS）修饰软骨细胞膜囊泡（CMVs），并在其内部负载多个反应性羟基的安石榴苷，制备成细胞胶囊。这些胶囊与甲基丙烯酰化丝胶（SerMA）结合，形成光固化生物墨水前体，该前体不仅表现出优异的抗氧化性能，还具有显著的抗菌活性和强大的软骨保护效果。使用数字光处理（DLP）3D生物打印机打印的所有结构都保持了高形状保真度，并维持了良好的细胞活力和活性。

图1：细胞胶囊递送生物墨水制备与应用的示意图

负染色 TEM 图像显示 囊泡 表现出特征性的双层杯状结构 ，尺寸约为 100 nm 。 核磁共振氢谱出现特征峰 表明 AC─PEG─NHS 修饰 的 mCMV s 的制备成功。通过将天然抗氧化剂 安石榴苷负载到 mCMV s 内部 制备 PUN@mCMV s 纳米粒。 TEM 图像显示 mCMV s 的杯状结构被密封，药物成功加载到 mCMV 内部。通过免疫荧光染色在软骨细胞表面观察到 与细胞整合 作用相关的特定蛋白质，包括 CD44 、整合素 α 1 、整合素 β 1 和 E- 钙粘蛋白。 且 细胞 可以 摄取 PUN@mCMVs ， 细胞胶囊制备成功。

图 2. PUN@mCMVs 细胞胶囊的制备和表征

其中 PUN8@SerMA-mCMVs 水凝胶的增殖促进 细胞增殖 作用最高。 且 PUN8@SerMA-mCMV 组表现 出更典型的软骨腔 隙结构 和更显著的细胞外基质分泌，蛋白多糖沉积增强，软骨细胞分泌 COL II 增加。软骨损伤部位的 ROS 过度积累经常导致氧化应激，从而抑制细胞增殖，降解细胞外基质，并破坏内源性组织修复过程。安石榴苷中的 17 个活性酚羟基充当氢原子供体，中和自由基并形成稳定的非自由基物质。这个过程终止了自由基链式反应，从而减缓或防止对细胞和组织的氧化损伤。因此， PUN8@SerMA-mCMVs 的抗氧化活性可能支持细胞增殖和软骨再生。实验结果表明，细胞胶囊水凝胶具有显著的自由基清除活性，能够有效清除细胞内的多余活性氧，显着上调编码抗氧化金属酶的 SOD1 和 SOD2 和下调基质金属蛋白酶 MMP-3 和 MMP-13 的表达，从而来保护软骨细胞免受细胞炎症引起的氧化应激。 PUN8@SerMA-mCMV 细胞胶囊水凝胶表现出的抑菌活性，能够明显抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的活性，这可能有利于 3D 生物打印和组织工程的整个过程。

采用 3D 生物打印机测试细胞胶囊递送生物墨水的打印能力，并将软骨细胞负载到 PUN8@SerMA-mCMV 生物墨水中。实验表明，生物墨水打印的水凝胶产品表现出优异的可打印性和形状保真度。 3D 生物打印后，封装在打印水凝胶中的软骨细胞表现出高细胞活力。这些结果表明，细胞胶囊递送生物墨水 PUN8@SerMA-mCMVs 适用于 3D 生物打印和组织工程应用。

图 3 . PUN@SerMA-mCMVs 生物墨水的 DLP 生物打印

PUN8@SerMA-mCMV 生物墨水在 SD 大鼠体内 促进 软骨缺损 修复 。结果表明，与空白组相比，实验组新软骨完全覆盖原始缺损区域，并与周围的正常软骨组织高度融合，具有最高的组织学评分， micro-CT 表明新生软骨已经填充了缺损，修复区域的表面相对平坦。组织学染色实验表明，在 PUN8@SerMA-mCMVs 组中，软骨细胞增殖并整齐排列，表现出特征性的软骨腔隙和层状结构，具有最小的不完全修复组织。此外，新生软骨呈现清晰完整的潮线，分泌了更多更均匀的细胞外基质，上调 COL II 的表达和 并 降低 MMP-13 的表达，表明该生物墨水具有有效修复软骨缺损的能力。

图 4 . 关节软骨修复的宏观、组织学和免疫组织化学评估

结论与展望

在这项研究中 开发 了一种组成细胞胶囊递送生物墨水的策略，通过该策略，将普通生物墨水材料（如 SerMA ）和 mCMV s 组合为加载一定量抗氧化试剂的细胞胶囊，从而产生生物墨水。与使用替代药物负载方法的生物墨水相比，这种策略不仅延长了药物的半衰期，还增强了生物墨水的生物相容性、可打印性和利用率。 SD 大鼠软骨缺损修复试验结果表明，与 SerMA 生物墨水和对照相比， PUN8@SerMA─mCMV 生物墨水的组织再生效率最高。考虑到 PUN8@SerMA-mCMV 生物墨水的抗氧化活性和抗菌能力，它在未来可能应用于组织工程，特别是特定的病理微环境，如在氧化应激下。

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！