美國西北大學AFM綜述：先進功能生物材料用于再生醫學工程中干細胞遞送

【研究背景】

干細胞治療是一種新興的醫學治療方法，有望修復或再生功能組織和器官，并對人類健康產生重大影響。發育生物學、干細胞生物學和生物工程的結合激發了人們對干細胞療法在非臨床和臨床研究中的發展興趣。工程方法在生物材料領域，提供了解決干細胞治療的挑戰和當前局限性的策略。生物材料的創新設計可以精確控制其生物物理和生物化學特性，從而為調節干細胞功能提供了一個人工生態位。通過工程化生物材料載體遞送細胞可以通過減少微環境沖擊來促進細胞存活，通過防止細胞滲漏來改善細胞保留，并通過操縱干細胞命運來增強來自遞送細胞的再生反應。

【成果簡介】

近期，美國西北大學Guillermo A. Ameer教授總結了用于移植的干細胞來源，介紹了干細胞遞送生物材料設計的最新進展，并對現有材料進行了批判性分析。然后介紹了近期應用于心血管、神經和肌肉骨骼系統的非臨床研究和臨床試驗。最后討論了生物材料研究的進展如何有助于再生醫學研究和干細胞治療。該成果近日以題為“Advanced Functional Biomaterials for Stem Cell Delivery in Regenerative Engineering and Medicine”發表在知名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一： 干細胞輸送的生物材料設計和制備

可注射和可植入的遞送系統提供足夠的保護，使細胞在移植部位局部微環境應激下存活，并通過增強輸注細胞的旁分泌和/或移植，支持病變或受損組織的功能恢復。

圖二：利用納米多孔凝膠(NPG)負載心臟干細胞(EDCs)

（A）用渦流攪拌將人體EDC封裝在NPG繭中。
（B）NPG膠囊的AFM力-位移曲線。
（C）膠囊內含有或不含細胞外基質蛋白的EDC的TEM圖像。
（D）在條件培養基中測定分泌細胞因子和生長因子。
（E）顯示左心室射血分數的回聲分析。

圖三： 構建心肌細胞中肌原纖維的亞微米結構

（A）微加工和細胞印跡過程的示意圖。
（B）在微圖案，細胞印跡和細胞印跡PDMS上，基因TNNT2，MYH6，MYH7和CACNA1c的表達。
（C）TCPS細胞的SSC-A與Alexa Fluor 647-A的流式細胞術圖像。
（D）在低i）和高ii）放大率下，AFM顯示的微觀和亞微觀形貌。
（E）在三種不同放大倍數下用心肌肌鈣蛋白T（紅色）和細胞核（藍色）標記的圖案化基底上的iCM組織的共聚焦圖像。
（F）共聚焦圖像，依次為i）與BF合并的細胞核，ii）與BF分離的細胞核，iii）肌鈣蛋白T和iv）肌節α輔肌動蛋白。

圖四：采用 (POMAC)彈性體制備支架

（A）用紫外光將混合物聚合制成POMAC支架。
（B) 設計各種POMAC腳手架制作的晶格。
（C) 測量折疊支架的可注射性。
（D）POMAC和POMAC-大鼠心肌細胞的拉伸應力-應變圖及其平均有效彈性值。
（E）POMAC支架注射前后的圖像。
（F）注射前后支架上活(綠色)、死(紅色)大鼠新生心肌細胞熒光圖像。
（G）將人類工程心臟植入豬心臟的微創手術圖像。

圖五：生物材料中負載促生存肽用于改善血管生成

（A）col D pep的合成方法。
（B）定量L2G轉基因小鼠中生物發光成像的BMMNC。
（C）單獨的col D pep，PBS +細胞，肽+細胞和col D pep +細胞處理組的激光多普勒圖像。
（D）激光多普勒成像測定免疫缺陷小鼠的血流量化。

圖六：利用P4HB和GelMa制備混合支架

（A）用MSC（上）和GelMa包封的MSC（下）分別接種到P4HB上。
（B）組織學和熒光染色圖像以及DAPI分析。
（C）混合貼片的示意圖。
（D）使用縫合線將外植體（左）和天然組織貼片（右）植入的實圖。
（E）混合支架H＆E染色，橫截面（左）和表面（右）。

圖七： 生物材料輔助細胞治療神經再生的策略

（A）可注射透明質酸用于遞送人iPSC衍生的NPC，用于缺血性中風后的腦組織再生。
（B）SCI后神經再生的可能生物材料的設計。
（C）以Schwann細胞工程化制備神經移植物。

圖八：光聲刺激改善臨床前模型中骨缺損的修復過程

（A）制備PLGA-GO支架的方法
（B）HE染色和膠原I/骨橋蛋白表達顯示缺損部位有新的骨形成。

圖九：不對稱殼聚糖支架用于大鼠肌腱修復模型

（A）實驗流程圖
（B）ACS組分：α-氰基丙烯酸酯生物膠將殼聚糖膜和海綿組合制備層狀支架。

圖十：多組織復合物和MSCs片，改善犬模型中肩袖愈合

（A）外科手術圖。
（B）6周時脫離肌腱的肉眼觀察。
（C）Safranin O染色肌腱 - 骨插入部位的顯微照片。

圖十一：未來基于干細胞的療法

個性化醫療將用于個人治療。將進行患者狀況的體外和體內評估以指導多功能遞送系統的設計和制造。將工程化的自體細胞擴增并通過遞送系統移植回患者以用于病變組織的功能恢復。

【總結展望】

先進的功能性生物材料作為細胞遞送的載體，顯示出極大的潛力，以提高干細胞為基礎的治療效果。
（1）目前研究重點是在遞送細胞至靶點期間和之后改善細胞存活和保留，以保持遞送細胞的旁分泌作用并提高細胞植入的可能性。
（2）只有少數生物材料用于患者的干細胞療法，因此，應進行生物材料遞送載體的其他臨床試驗，以闡明材料的生物物理和生物化學性質對組織修復和人類再生的影響。
（3）未來將致力于設計和制備多功能輸送系統，以此改善臨床結果。
（4）為制備先進的功能性遞送系統，應該使用體外和體內策略來完全評估個體移植部位的局部微環境，預先評估將指定生物材料設計和制備的標準以提高治療功效。
（5）先進的工程干細胞/衍生物也將是生物材料開發的另一個重要因素，可降低由細胞移植引起的免疫原性和致腫瘤性的風險。
（6）應該設計和制備滿足待遞送組分的特定性質的生物材料。

文獻鏈接：Advanced Functional Biomaterials for Stem Cell Delivery in Regenerative Engineering and Medicine (Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201809009)

本文由材料人高分子組大兵哥供稿，材料牛整理編輯。

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