近期，北京大學(xué)第三醫(yī)院余家闊教授和呂華教授團(tuán)隊(duì)在 Bioactive Materials 上聯(lián)合發(fā)表研究性論文：制備巰基/硫酯功能化的超支化聚氨基酸和馬來(lái)酰亞胺功能化的聚肌氨酸，通過(guò)原位交聯(lián)獲得新型聚氨基酸水凝膠，復(fù)合外周血間充質(zhì)干細(xì)胞后植入兔骨軟骨缺損模型, 表現(xiàn)出優(yōu)異的修復(fù)效果，且無(wú)明顯異物排斥反應(yīng)。
1、研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介
關(guān)節(jié)軟骨及骨軟骨缺損是運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常見(jiàn)的損傷之一，通常導(dǎo)致關(guān)節(jié)疼痛和功能障礙，由于軟骨無(wú)血管、缺乏內(nèi)源性修復(fù)細(xì)胞的特點(diǎn)，其自愈能力有限，若不及時(shí)治療最終將發(fā)展為骨關(guān)節(jié)炎。近年來(lái)，組織工程技術(shù)在骨軟骨缺損修復(fù)方面提供了一種很有希望的治療策略。水凝膠作為一種典型的生物支架材料，被廣泛應(yīng)用于軟骨組織工程領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有的水凝膠支架材料在生物降解性、生物相容性和免疫原性等方面仍不能滿足臨床的高標(biāo)準(zhǔn)需求，未充分考慮植入體內(nèi)后巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的免疫和異物反應(yīng)的問(wèn)題，最終導(dǎo)致軟骨修復(fù)質(zhì)量欠佳或失敗。目前，市售且廣泛使用的天然聚合物的水凝膠（如甲基丙烯酸酰化明膠，GelMA）具有異質(zhì)性，性能受到批次影響而不一致，同時(shí)還存在固有或雜質(zhì)引起的免疫原性問(wèn)題。而合成聚合物（如聚乙二醇，PEG）通常生物降解能力較差，亦會(huì)刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)和異物排斥反應(yīng)（FBR）。
本文通過(guò)采用簡(jiǎn)潔的合成方法，通過(guò)原位成膠的方式制備了一種新型聚氨基酸水凝膠（命名為PAA-RGD），該水凝膠具有合適的生物降解性、優(yōu)異的生物相容性和極低的免疫原性。
圖1. PAA-RGD 水凝膠制備流程圖
將PAA-RGD水凝膠與外周血間充質(zhì)干細(xì)胞（PB-MSCs）復(fù)合后植入新西蘭大白兔膝關(guān)節(jié)骨軟骨缺損，通過(guò)影像學(xué)核磁共振發(fā)現(xiàn)PAA-RGD水凝膠組的炎癥水腫情況較其余各組更輕， micro-CT表面PAA-RGD水凝膠組的軟骨下骨修復(fù)更佳。除此之外，病理切片HE/甲苯胺藍(lán)染色/番紅固綠/二型膠原免疫組化染色均證實(shí)PAA-RGD水凝膠組的骨軟骨修復(fù)效果顯著優(yōu)于對(duì)照組GelMA和PEG-RGD水凝膠，尤其在術(shù)后早期（6周）的骨軟骨修復(fù)差異更為明顯，而PEG-RGD/GelMA水凝膠組在植入體內(nèi)6周后仍未完全降解。
圖2. 包載PB-MSCs的水凝膠在體內(nèi)骨軟骨缺損修復(fù)效果。(a) PB-MSCs分離、包載在水凝膠并植入骨軟骨缺損的流程圖。(b) 骨軟骨缺損修復(fù)的ICRS評(píng)分。骨軟骨缺損修復(fù)的MRI (c) 和micro-CT (d) 圖像。
圖3. 修復(fù)組織的形態(tài)學(xué)、組織學(xué)和免疫組化結(jié)果。(a) 修復(fù)12周的軟骨表面SEM圖像。(b) H&E，甲苯胺藍(lán)（TB,紫色），番紅O固綠（SO&FG, 橙色和綠色）和COL-II免疫組化染色（棕色）;* =水凝膠的未降解部分，N =正常軟骨，R =修復(fù)組織，箭頭表示正常軟骨和修復(fù)組織的界面。
在轉(zhuǎn)錄組學(xué)的初步機(jī)制研究中發(fā)現(xiàn)，與GelMA和PEG-RGD組相比，PAA-RGD的免疫反應(yīng)相關(guān)通路顯著下降。為進(jìn)一步探究機(jī)體的異物排斥反應(yīng)及PAA-RGD水凝膠對(duì)巨噬細(xì)胞免疫表型的調(diào)控機(jī)制，將各組水凝膠植入小鼠皮下，結(jié)果表明PAA-RGD水凝膠導(dǎo)致的異物排斥反應(yīng)最低，而PEG-RGD及GelMA水凝膠周?chē)兄旅艿睦w維囊形成，提示存在較重的異物排反應(yīng)。該研究通過(guò)免疫組化進(jìn)一步分析了浸潤(rùn)在水凝膠周?chē)木奘杉?xì)胞表型，眾所周知，巨噬細(xì)胞對(duì)免疫調(diào)控及組織修復(fù)具有重要意義，M1型巨噬細(xì)胞通常具有促炎作用、不利于組織修復(fù)，而M2型巨噬細(xì)胞通常具有抗炎促組織修復(fù)效果。結(jié)果顯示，浸潤(rùn)在PAA-RGD水凝膠周?chē)募?xì)胞主要為M2型巨噬細(xì)胞，而浸潤(rùn)在PEG-RGD水凝膠周?chē)木奘杉?xì)胞以M1型居多，GelMA水凝膠對(duì)體內(nèi)巨噬細(xì)胞的極化無(wú)顯著影響。
圖4. 植入小鼠皮下水凝膠的異物排斥反應(yīng)和巨噬細(xì)胞極化。(a) 由皮下植入的水凝膠誘導(dǎo)的C57/BL6小鼠異物排斥反應(yīng)和巨噬細(xì)胞極化的模式圖。(b) HE和MASSON染色用于評(píng)估植入14天后的炎癥反應(yīng)和膠原纖維囊包封厚度。(c) 免疫組化染色評(píng)估植入后第14天浸潤(rùn)到水凝膠 - 組織界面中的巨噬細(xì)胞的表型。陽(yáng)性染色呈棕色（用箭頭表示代表性陽(yáng)性細(xì)胞），蘇木精染色的細(xì)胞核均顯示藍(lán)色。* = 水凝膠。
以上發(fā)現(xiàn)證明了免疫調(diào)節(jié)在軟骨組織修復(fù)方面的重要性，并表明，載干細(xì)胞的PAA-RGD水凝膠在骨軟骨再生修復(fù)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。該研究結(jié)果的轉(zhuǎn)化，將促進(jìn)各種基于聚氨基酸生物材料研發(fā)應(yīng)用和臨床轉(zhuǎn)化。
2、原文信息
Meng Yang, Zhengchu Zhang, Fuzhen Yuan, Ronghui Deng, Xin Yan, Fengbiao Mao, Yourong Chen*, Hua Lu*, Jiakuo Yu*.
An immunomodulatory polypeptide hydrogel for osteochondral defect repair.
Bioactive Materials, 19, (2023) 678-689.
