科研进展

深圳先进院等研发可注射活体生物材料 可修复半月板损伤并抑制关节退变

  

  半月板是膝关节内保护关节稳定性的重要组织,因缺乏自愈能力,损伤后很难自我修复。半月板损伤修复一直是临床治疗的一个难题,尤其是半月板白区损伤的修复更是让临床医生束手无策。目前多采用人工合成类材料对半月板进行修复,但是人工合成类材料的生物相容性不足,且对半月板损伤的治疗效果不佳。因此,急需开发一种具备高生物相容性及组织特异生物活性的材料用于临床。

  近日,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所于寅团队在Bioactive Materials发表文章"Injectable ECM hydrogel for delivery of BMSCs enabled full-thickness meniscus repair in an orthotopic rat model"。中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究助理钟刚和广西医科大学姚军博士为该论文共同第一作者。本研究用猪半月板脱细胞化得到一种组织特异性细胞外基质(ECM),并将其制备成可注射的水凝胶用于负载骨髓间充质干细胞(BMSCs)形成一种活体生物材料。研究发现该ECM可以促进BMSCs成软骨分化;将该ECM负载BMSCs注射到半月板损伤处,可以修复半月板损伤和抑制关节退变。该项研究探讨了其生物相容性和软骨诱导性能,并深入评价了其对半月板损伤的修复和关节的保护作用,对半月板修复具有重要临床意义。

  本项研究从仿生学得到启发,用猪半月板的内侧1/3部分组织(白区)通过脱细胞化制作一种组织特异性细胞外基质(ECM),并将其制备成可注射用的水凝胶,再将该ECM负载骨髓间充质干细胞(BMSCs)形成具有生物活性的活体凝胶材料用于半月板损伤修复(图1)。继而将组织特异性ECM复合BMSCs做体外三维培养,发现该ECM具有优异的生物相容性和软骨诱导能力(图2)。体外培养21天后发现该ECM与BMSCs的复合物的形貌结构更接近正常的半月板组织,这说明该ECM更利于半月板损伤的修复(图3)。科研人员将组织特异性ECM复合BMSCs后在体外培养一周后,置入SD大鼠的背部,四周后取出该复合物进行组织学染色,结果表明该组织内出现了大量的软骨的特异性标志:“软骨陷窝”,番红染色和甲苯胺蓝染色呈现强阳性(图4)。团队继而制作了一个位于半月板白区全层的半月板损伤SD大鼠模型,将负载有BMSCs的组织特异性ECM注射到模型半月板损伤部位,两个月后发现该活体生物材料能够显著促进半月板的修复,同时极大地保护了关节,抑制了钙质流失和骨关节炎的发生(图5)。

  该研究利用组织特异性的ECM负载骨髓间充质干细胞形成可注射的活体水凝胶,并深入研究了其在全层半月板损伤动物模型中的治疗效果和保护关节免于骨关节炎的功能,实验过程历时两年半,克服了动物实验过程诸多困难,通过在显微镜下对小鼠进行微创手术来构建半月板损伤模型,确保了实验模型的准确性,为临床半月板损伤的治疗提供了新思路,是可注射活体生物材料在再生医学应用上的有意义的尝试。

  该工作获得了深圳合成生物学创新研究院、深圳市科创委孔雀计划团队、中国科学院深圳先进技术研究院优秀青年创新基金以及广西自然科学基金联合培育项目的资助。

  Bioactive Materials 创刊于2016年9月,首个影响因子8.724,在“Materials Science,Biomaterials”领域排名第二。该刊入选了2019年中国科技期刊卓越行动计划- “高起点新刊”项目。

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图1:利用可注射活体生物材料进行体内异位及原位软骨再生及半月板创伤修复实验的示意图

 

图2:(a,b)体外三维立体培养live/dead染色;(c)三维立体培养后的糖胺多糖(GAGs)检测;(d)三维培养21天后,Collagen I,Collagen II和aggrecan的基因表达。

图3:三维立体培养后的电镜图

图4:置入大鼠背部组织特异性ECM复合BMSCs 复合物的组织学染色

图5:(a)大体图;(b)番红固绿染色;(c-e)micro-CT扫描,c:反映关节腔的骨质变化和骨赘形成;d:反映关节腔容积;e:反映骨小梁密度