富含神经营养因子的 3D 打印水凝胶支架促进骨再生的研究《Nature Communications》

2024-12-11 10:17

1.1 骨缺损治疗现状及问题

1）骨损伤在临床中很常见，临界大小的骨缺损不能自我愈合。临床治疗这类缺陷的“金标准”仍然是基于自体/异体或人工骨移植的移植。然而，也存在一些缺点，如供体限制、免疫排斥、感染和骨整合不良，最终导致疤痕再生不均、愈合延迟甚至不愈合而导致二次手术。

2）现有生物矿化水凝胶或成骨预处理等方法难以实现临界尺寸颅骨缺损的全层重建，体外扩增或预处理的间充质干细胞（MSCs）异质性高，体内谱系定向难以精确预测，骨修复机制尚不清楚。

1.2 内源性干细胞在骨修复中的潜力及挑战

1）内源性干细胞具有组织特异性分化和定向再生潜力，但骨组织中内源性骨骼干细胞（SSCs）数量有限，尤其是在成熟或老年个体中。

2）可溶性因子通过重组生长因子利用内源性干细胞进行组织再生虽可避免复杂过程，但目前针对特定干细胞亚群的生物医学工程策略仍具挑战性。

Xianzhu Zhang、Wei Jiang、Chang Xie等人假设通过3D 打印生物活性水凝胶支架原位递送神经营养补充剂（NSs）可促进骨骼干细胞亚群的局部扩增，从而实现骨再生。成果以“Msx1+ stem cells recruited by bioactive tissue

engineering graft for bone regeneration”为题发表在《Nature Communications》上。

图1含NSs的| 3D打印水凝胶支架增强了MSCs的体外扩张和成骨潜能

含 NSs 的培养基可改变 MSCs 细胞形态，降低细胞群体倍增时间，增加 Ki67 表达，减少 γh2AX 表达，细胞表面标志物表达符合 MSCs 特征，且具有更高的克隆形成能力和增强的成软骨、成骨潜能（成脂潜能相似）。
3D 打印含 NSs 的水凝胶支架能有效构建体外细胞培养凝胶支架系统，与普通支架相比，可更有效地扩增 MSCs，更快启动成骨分化，并显著增强成熟阶段的成骨分化。

图2|用NSs移植3D打印水凝胶支架可促进临界大小颅骨缺损的快速再生。

含 NSs 的支架在体内具有高细胞相容性，可促进血管生成，其逐渐降解，4 周时 NSs 组支架面积明显减小。
移植含 NSs 的 3D 打印水凝胶支架至 SD 大鼠临界尺寸颅骨缺损处，4 周时 NSs 组再生约三分之二缺损面积，12 周时基本完成整个缺损的再生，骨量显著增加，实现了全层颅骨（内外层皮质骨、中间层松质骨）再生，而对照组仅部分愈合或形成单层无序不成熟骨或薄层软组织。
NSs 促进了成骨细胞标志物骨钙素（OCN）、神经生长因子受体（NGFR）和血管内皮细胞标志物 CD31 的表达，且在不同时间点表达水平有变化。

图3|含 NSs 的原位细胞培养系统对骨修复相关细胞簇的调控

单细胞 RNA 测序分析确定了骨修复前两周内出现的 33 个亚群，分为成骨细胞谱系细胞群、内皮细胞群、血管周围细胞群和免疫细胞谱系细胞群。
NSs 递送主要改变了成骨相关干细胞 / 祖细胞在成骨细胞谱系细胞群中的比例，对内皮和血管周围细胞群中的干细胞 / 祖细胞亚群比例影响较小，同时对免疫细胞谱系细胞群的组成有明显影响（如单核细胞和 CD8 + T 细胞减少）。

在成骨细胞谱系细胞中区分出八个主要子集，包括 Cycling MSCs、两个 SSC 子集、两个间充质祖细胞子集、成纤维细胞、两个成骨细胞子集。
NSs 递送后，Pdgfra + 祖细胞在 1 周后细胞比例增加近 2 倍，具有重塑细胞外基质和调节血管生成的能力；SSC2 子集在 2 周后细胞比例显著增加，表达多种细胞外基质蛋白和蛋白酶，在损伤修复中发挥重要作用，其与成骨细胞关系密切，通过分化轨迹分析发现其与成骨细胞形成有关。