軟骨是一種半透明的纖維結(jié)締組織，為關(guān)節(jié)提供低摩擦表面，并能夠吸收沖擊并傳輸相應(yīng)的負(fù)載。由于軟骨部位不存在血管且成熟軟骨中的軟骨細(xì)胞的復(fù)制能力也非常有限，這些特殊屬性使得軟骨缺損的治療、修復(fù)/恢復(fù)變得十分具有挑戰(zhàn)性。
組織工程的發(fā)展為軟骨修復(fù)提供了新的見解，通過內(nèi)在生物活性線索使天然衍生材料能夠模仿軟骨的重要特征，同時可以促進(jìn)細(xì)胞募集、滲透和分化。近日，來自美國克萊姆森大學(xué)的Jeremy Mercuri團隊集中介紹了軟骨修復(fù)和再生的天然支架材料，并對其在各種體外和體內(nèi)條件下的性能進(jìn)行了定量和定性分析（圖1）。此外，鑒于糖胺聚糖(GAG)與羥脯氨酸(HYP)的比率和模量是透明軟骨的基本屬性，本文通過探索這些屬性如何反映在臨床前結(jié)果中來增加知識。這些觀點可以極大地幫助研究人員更好地利用軟骨組織工程的天然材料(CTE)。
相關(guān)綜述論文以“In vitro and in vivo Efficacy of Naturally Derived Scaffolds for Cartilage Repair and Regeneration”為題于2023年9月12日發(fā)表在《Acta Biomaterialia》上。
圖1 用于軟骨修復(fù)和再生的天然衍生支架形式
1. 基于天然ECM的支架
一般地，用于軟骨修復(fù)和再生的理想支架應(yīng)模仿天然軟骨的結(jié)構(gòu)，具有足夠的機械強度以在缺損處保持其形狀，同時可以促進(jìn)細(xì)胞遷移并具有足夠的生物相容性和生物降解性。因此，研究人員對使用天然軟骨細(xì)胞外基質(zhì)作為支架一直很感興趣，可從自體、同種異體或異種來源獲得的ECM具有適當(dāng)?shù)哪z原結(jié)構(gòu)、糖胺聚糖(GAG)分布、生長因子(GFs)和軟骨特異性表位，這些是形成全功能修復(fù)組織所必需的。
然而，自體軟骨植入物與供體部位發(fā)病率相關(guān)，并且具有嚴(yán)重的采購限制，因此，同種異體和異種支架被證明是更可行的選擇。異種組織是一種特別有吸引力的替代品，由于免疫原性的問題需要脫細(xì)胞過程，可能導(dǎo)致關(guān)鍵ECM蛋白的去除和軟骨結(jié)構(gòu)的損失（圖2）。
圖2 從天然來源獲得的軟骨組織的加工方法
良好的支架具有最佳的結(jié)構(gòu)、可降解性、機械強度、生物相容性、孔徑、孔隙率、互連性和滲透性。多項研究報道，軟骨ECM提取物可以促進(jìn)胚胎干細(xì)胞的軟骨特異性分化、在沒有外源GF的情況下的軟骨形成分化以及與補充GF的協(xié)同作用。此外，作者還總結(jié)了軟骨來源的ECM支架列表，包含有關(guān)源材料類型、應(yīng)用的治療、生化/生物力學(xué)特性和研究結(jié)果的信息。
表1 軟骨來源的ECM支架信息（部分）
2. 天然非軟骨衍生支架
除了軟骨細(xì)胞外基質(zhì)衍生的支架，還有許多其他天然聚合物已被廣泛研究用于軟骨組織工程(CTE)，包括但不限于富含血小板的血漿(PRP)、明膠、絲心蛋白、藻酸鹽、膠原、纖維素、殼聚糖和透明質(zhì)酸（圖3）。這些材料表現(xiàn)出良好的生物降解性、生物相容性、最小的免疫效應(yīng)并促進(jìn)細(xì)胞間的相互作用。因此，它們已被用作獨立的支架或被組合在一起用于附加的治療效果。現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，非軟骨來源的支架在新基質(zhì)生產(chǎn)以及體外和體內(nèi)支架剛度方面顯示出非常好的結(jié)果。同樣，作者對天然非軟骨衍生支架進(jìn)行了總結(jié)，包括原材料類型、應(yīng)用的治療、生物化學(xué)/生物力學(xué)特性和研究結(jié)果（表2）。
圖3 可用于軟骨修復(fù)/再生支架開發(fā)的多種天然衍生材料
表2 天然非軟骨衍生支架列表（部分）
3. 與天然軟骨的生化和生物力學(xué)特性比較
在這篇文章中，作者分析了38種軟骨ECM和天然非軟骨衍生支架(不包括市售天然支架)的結(jié)構(gòu)和組成配方。審查表明，盡管臨床療效仍有待觀察，但大量此類支架表現(xiàn)出軟骨表型。除了關(guān)節(jié)軟骨的壓縮模量（生物力學(xué)）之外，人們還對測量報告的GAG與HYP比率是否與目標(biāo)物種的透明軟骨相對應(yīng)感興趣。
因此，作者首先收集了常用動物模型中關(guān)節(jié)軟骨的GAG:HYP 比率、聚合/楊氏模量和折減模量(RM)（如果適用）（表3）。接下來，對本次綜述中38項研究的一部分——特別是那些報告積極的體外/體內(nèi)結(jié)果以及修復(fù)組織生物化學(xué)和/或生物力學(xué)信息的研究進(jìn)行了匯編和檢查（表4），然后將這些特征與天然宿主軟骨進(jìn)行比較。
表3 CTE研究中常用物種透明軟骨的生化和生物力學(xué)特性
表4 軟骨修復(fù)支架的生物化學(xué)和生物力學(xué)特性（部分）
從表4中可以發(fā)現(xiàn)，一項研究具有與天然宿主軟骨相對應(yīng)的兩種特征，七項研究具有與生物化學(xué)或生物力學(xué)相對應(yīng)的特征，而一項研究具有與其目標(biāo)/宿主軟骨不同的兩種特征。總體而言，絕大多數(shù)（88.88％）的研究表明生化和/或生物力學(xué)特性與其目標(biāo)軟骨特征相對應(yīng)。因此，觀察 GAG:HYP 比率和/或模量的趨勢可能是預(yù)測透明軟骨形成的有用的早期工具。
4. 結(jié)論和未來方向
綜上，天然支架具有足夠的軟骨再生潛力，但來自天然軟骨以外的來源時也更有效。它們固有的機械強度低或無法維持結(jié)構(gòu)的弱點可以通過補充細(xì)胞、GF、表面修飾、與合成聚合物的組合或與生物墨水的融合來補償。無支架方法也是治療軟骨缺陷的一個有吸引力的選擇。這些涉及僅使用細(xì)胞生成天然ECM，從而繞過物理存在的支架產(chǎn)生的缺點，例如應(yīng)力屏蔽、阻礙關(guān)鍵的細(xì)胞與細(xì)胞相互作用以及潛在的不良免疫反應(yīng)的產(chǎn)生。雖然與基于支架的方法相比，無支架技術(shù)可以更好地概括發(fā)育中的軟骨環(huán)境，但它們在細(xì)胞來源可用性、培養(yǎng)持續(xù)時間、制造工藝和天然組織生物力學(xué)的復(fù)制方面也面臨限制。
CTE目前的發(fā)展軌跡似乎是朝著個性化醫(yī)療的方向發(fā)展，患者可以獲得針對其特定缺陷幾何形狀定制的產(chǎn)品。盡管生物打印在這一領(lǐng)域正在迅速取得進(jìn)展，但它確實需要開發(fā)既具有治療效果又能夠承受惡劣打印條件的生物墨水材料。雖然在動物模型中實現(xiàn)了簡單組織的生物打印和隨后的植入，但軟骨等復(fù)雜組織的打印還需要進(jìn)一步的研究和優(yōu)化。
隨著生物3D打印的發(fā)展，人們也在不斷探索4D打印，其中生物3D打印結(jié)構(gòu)可以對刺激做出反應(yīng)（物理、化學(xué)或生物）通過改變形狀、顏色或功能。這代表了生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的一種全新方法，并且可能會改變軟骨修復(fù)應(yīng)用的適用規(guī)則，其中支架可能與當(dāng)?shù)丨h(huán)境產(chǎn)生更協(xié)同的相互作用。
文章來源：https://doi.org/10.1016/j.actbio.2023.09.008
