學(xué)術(shù)分享 | Nature Communications：生物3D打印角膜修復(fù)體

來源：上普生物

近期，清華大學(xué)深圳國際研究生院彌勝利與孫偉教授課題組在知名學(xué)術(shù)雜志Nature Communications發(fā)表題為Fiber reinforced GelMA hydrogel to induce the regeneration of corneal stroma的文章，利用生物3D打印技術(shù)，制備纖維水凝膠復(fù)合支架，在角膜基質(zhì)的誘導(dǎo)再生領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。

眼角膜的損傷與修復(fù)
眼角膜作為視覺成像系統(tǒng)中一個(gè)至關(guān)重要的組織，是眼睛最前面的凸形高度透明物質(zhì)，可以保護(hù)眼內(nèi)的微結(jié)構(gòu)及組織，并為眼睛提供大部分屈光力。
角膜損傷、感染及一些先天性因素導(dǎo)致其成為全球第二大致盲疾病。同種異體角膜，人工角膜及人的羊膜移植是三類臨床上應(yīng)用最廣泛的角膜疾病治療方法，但是這些方法都會(huì)存在一定的問題或缺陷。

因此，利用先進(jìn)的生物3D打印技術(shù)開發(fā)出一種治療性的角膜支架，用于替代受疾病影響的角膜組織或誘導(dǎo)角膜組織自身再生，是至關(guān)重要也是迫在眉睫的。目前，角膜組織誘導(dǎo)再生的難點(diǎn)在于角膜基質(zhì)層，該層組織是角膜的主要組成部分，具有多層正交定向的納米纖維板層組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，利用傳統(tǒng)的生物工程的方法很難真實(shí)的模擬基質(zhì)層的結(jié)構(gòu)。纖維板層之間分布著角膜基質(zhì)細(xì)胞，這種細(xì)胞在體外培養(yǎng)及角膜組織損傷時(shí)很容易轉(zhuǎn)化為角膜成纖維細(xì)胞及肌成纖維細(xì)胞，導(dǎo)致角膜出現(xiàn)瘢痕。

因此，如何制備能夠模擬天然角膜基質(zhì)結(jié)構(gòu)的支架，同時(shí)保持角膜基質(zhì)細(xì)胞的表型，誘導(dǎo)角膜基質(zhì)的再生，是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。

生物3D打印角膜支架
針對這一難題，清華大學(xué)彌勝利與孫偉教授課題組提出了使用近場靜電紡絲這一生物3D打印技術(shù)制備網(wǎng)格狀的亞微米纖維支架，后期通過水凝膠技術(shù)，制備了纖維水凝膠復(fù)合支架，用于模擬正交定向的角膜基質(zhì)板層結(jié)構(gòu)和板層之間起連接作用的糖蛋白。并提出了一種最優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及化學(xué)因子的組合，可以抑制角膜基質(zhì)細(xì)胞的成纖維分化，保持其表型，并最終實(shí)現(xiàn)角膜基質(zhì)的誘導(dǎo)再生。

角膜支架的材料
目前近場靜電紡絲技術(shù)應(yīng)用最廣泛的材料是PCL，但是由于PCL是疏水材料，不利于細(xì)胞的粘附。因此該研究利用PEG作為引發(fā)劑，合成了PEG和PCL的共聚物PECL，顯著的提高了PCL的親水性。并首次利用近場靜電紡絲技術(shù)成功的制備了正交定向的PECL亞微米纖維支架，角膜緣基質(zhì)干細(xì)胞可以在支架表面黏附并沿著纖維方向鋪展及生長。

研究通過將MA修飾到明膠大分子鏈上合成了GelMA，探究出最優(yōu)的MA修飾度及GelMA濃度可以使封裝在GelMA水凝膠內(nèi)的角膜緣基質(zhì)干細(xì)胞保持高的細(xì)胞活性并能鋪展開。制備模具并通過灌注的方式制備了纖維水凝膠復(fù)合支架。

纖維水凝膠復(fù)合支架（圖標(biāo)e）

角膜支架的性能
通過研究不同纖維間距的網(wǎng)格狀支架對纖維水凝膠復(fù)合支架理化性能的影響，找出了最優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使纖維水凝膠在力學(xué)性能、透光度和溶脹性方面最接近于天然的角膜組織。

研究將角膜緣基質(zhì)干細(xì)胞接種在2D的細(xì)胞培養(yǎng)皿，3D的GelMA水凝膠和最優(yōu)選的纖維水凝膠復(fù)合支架內(nèi)，并研究角膜緣基質(zhì)干細(xì)胞在含血清及不含血清的培養(yǎng)基中的分化及角膜基質(zhì)細(xì)胞表型的維持。研究表明這種最優(yōu)選的纖維水凝膠的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及無血清培養(yǎng)基可以抑制角膜基質(zhì)細(xì)胞向成纖維細(xì)胞分化。

最后研究使用大鼠進(jìn)行角膜內(nèi)的板層移植實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行了有無化學(xué)因子的3D的GelMA水凝膠和有無化學(xué)因子的最優(yōu)選的纖維水凝膠支架的移植，對照組為自體角膜移植。術(shù)后通過OCT，免疫熒光染色及HE染色進(jìn)行3個(gè)月的研究觀察，發(fā)現(xiàn)相比于其他的支架，含化學(xué)因子的最優(yōu)選的纖維水凝膠支架的移植可以最好的實(shí)現(xiàn)角膜基質(zhì)的誘導(dǎo)再生。

總結(jié)
本文通用生物3D打印技術(shù)，制備具有高分子材料和水凝膠材料復(fù)合而成的纖維水凝膠復(fù)合支架，用于角膜基質(zhì)的誘導(dǎo)再生。
本論文第一作者為清華-伯克利深圳學(xué)院博士生孔彬和清華大學(xué)深圳國際研究生院碩士生陳赟及劉睿，論文通訊作者為彌勝利副研究員和孫偉教授。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃No. 2016YFC1100100的支持。

彌勝利與孫偉教授課題組近年來在組織工程及再生醫(yī)學(xué)研究方面取得一系列的學(xué)術(shù)進(jìn)展，相關(guān)成果分別發(fā)表在Sensors and Actuators B: Chemical (2020)、Biofabrication (2018)、Acta Biomaterialia (2018)、Scientific Reports (2016, 2017)等國際雜志上。

參考文獻(xiàn)
Kong, Bin, Yun Chen, Rui Liu, Xi Liu, Changyong Liu, Zengwu Shao, Liming Xiong, Xianning Liu, Wei Sun, and Shengli Mi. "Fiber reinforced GelMA hydrogel to induce the regeneration of corneal stroma." Nature communications 11, no. 1 (2020): 1435.