擠出式生物3D打印構建3D支架，探究共生微巣促進骨缺損愈合機制

來源： EngineeringForLife

由急性創(chuàng)傷、感染 、腫瘤切除或先天性疾病造成的骨不連及骨缺損是常見的骨科疾病，也是骨科治療的難題。而3D打印支架已經(jīng)顯示出促進組織修復的優(yōu)越性，但是，支架材料促進骨損傷愈合的作用機制以及不同材料組分的3D打印支架植入后激活細胞水平特異性分子調(diào)控網(wǎng)絡還有待揭示。而了解不同3D支架材料植入后對骨修復進程的調(diào)節(jié)機制以及再生組織中不同細胞行為及功能的改變調(diào)節(jié)機制，對于揭示促進骨修復的細胞行為變化、基因表達以及調(diào)控網(wǎng)絡具有重要的意義。

來自上海交通大學醫(yī)學院的鄧廉夫團隊利用EFL擠出式生物3D打印機（EFL-BP-6601）制備三種3D支架并通過生物學功能的改變評估了其生物材料提供的共生微巣對細胞功能以及骨再生過程的特異性調(diào)控機制。通過RNA-Seq技術，在轉錄水平解析3D支架材料對于組織再生過程基因表達的影響，通過基因功能分析獲得Hydrogel、PCL和β-TCP支架材料的生物學特性(圖1)。相關研究“Transcriptome Analysis Revealed the Symbiosis Niche of 3D Scaffolds to Accelerate Bone Defect Healing”發(fā)表于《Advanced Science》雜志上。

圖1 轉錄水平分析揭示了Hydrogel、PCL和β-TCP 3D打印支架促進骨缺損愈合作用

研究人員首先評估了三種支架的制備工藝，掃描電鏡（SEM）顯示了三種支架不同的微觀結構(圖2)。并通過細胞活/死染色和CCK8實驗表明了Hydrogel、PCL和β-TCP 3D打印支架具有良好的生物相容性(圖3)。

圖2 Hydrogel、PCL和β-TCP支架的構建

圖3 Hydrogel、PCL和β-TCP支架的生物相容性

為了評估Hydrogel、PCL和β-TCP 3D打印支架在缺陷處促進骨再生的功能，通過支架體內(nèi)植入實驗評估和量化了新骨形成的差異，發(fā)現(xiàn)支架的植入加速了骨愈合(圖4)。利用組織學分析對比了Hydrogel、PCL、β-TCP以及無支架組，染色結果顯示了支架的植入促進了軟骨痂中骨化中心、新骨、血管和纖維組織的形成(圖5)。而轉錄水平分析表明了Hydrogel、PCL和β-TCP支架具有加速骨愈合的功能(圖6)。

圖4 Hydrogel、PCL和β-TCP支架材料骨再生的體內(nèi)實驗評估

圖5 Hydrogel、PCL和β-TCP支架在缺陷區(qū)新形成組織的組織形態(tài)學分析

圖6 轉錄水平分析Hydrogel、PCL和β-TCP支架

為了在生物過程、細胞成分和分子功能水平上分析差異表達基因（DEGs）的功能，研究人員使用了GO富集分析以及KEGG富集分析(圖7、8)揭示了DEGs的功能，并通過轉錄組測序技術解碼不同支架材料對于骨再生修復過程關鍵細胞與分子調(diào)控的影響(圖9)。

圖7 DEGs支架組與對照組的GO富集分析

圖8 DEGs支架組與對照組的KEGG富集分析

圖9 轉錄水平分析Hydrogel、PCL和β-TCP支架組中信號轉導差異

為揭示不同組中DEGs編碼的蛋白質(zhì)功能，進行了蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡（PPI）分析(圖10)，結果顯示細胞分裂周期蛋白(Cdc蛋白家族)在Hydrogel和PCL組中富集。

圖10 蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡（PPI）分析

為了進一步驗證Hydrogel、PCL和β-TCP對由支架、細胞和再生組織組成的共生微巣對于骨愈合過程的調(diào)節(jié)功能，細胞實驗以及組織形態(tài)學分析顯示了Hydrogel、PCL和β-TCP支架可加速骨愈合過程(圖11)。

圖11 體內(nèi)外支架對共生微巣中細胞或組織的調(diào)節(jié)作用

綜上，本文初步探究了三種材料在植入骨缺損部位后與細胞和周圍組織形成的共生微巣對于骨愈合過程軟骨痂向硬骨痂轉變階段的轉錄水平的調(diào)節(jié)作用，并揭示了不同材料的特異性功能。并嘗試使用轉錄組測序技術解碼不同支架材料對于骨再生修復過程關鍵細胞與分子調(diào)控的影響，為后續(xù)應用于骨再生的生物支架材料設計及骨再生過程的特異性調(diào)控提供思路。而進一步的實驗研究需要通過分子生物學方法，對支架材料植入體內(nèi)后發(fā)揮的作用機制與可能產(chǎn)生的副作用進行驗證，并進一步闡明其作用機制，促進其形成工程化產(chǎn)品并應用于臨床的進程。此外，在后續(xù)的支架材料設計中，應根據(jù)作用機理，精細設計支架材料，充分利用不同材料的特性，提高材料使用的安全性與組織再生的高效性。

文章來源：

http://dx.doi.org/10.1002/advs.202105194