美国西北大学AFM综述：先进功能生物材料用于再生医学工程中干细胞递送

【研究背景】

干细胞治疗是一种新兴的医学治疗方法，有望修复或再生功能组织和器官，并对人类健康产生重大影响。发育生物学、干细胞生物学和生物工程的结合激发了人们对干细胞疗法在非临床和临床研究中的发展兴趣。工程方法在生物材料领域，提供了解决干细胞治疗的挑战和当前局限性的策略。生物材料的创新设计可以精确控制其生物物理和生物化学特性，从而为调节干细胞功能提供了一个人工生态位。通过工程化生物材料载体递送细胞可以通过减少微环境冲击来促进细胞存活，通过防止细胞渗漏来改善细胞保留，并通过操纵干细胞命运来增强来自递送细胞的再生反应。

【成果简介】

近期，美国西北大学Guillermo A. Ameer教授总结了用于移植的干细胞来源，介绍了干细胞递送生物材料设计的最新进展，并对现有材料进行了批判性分析。然后介绍了近期应用于心血管、神经和肌肉骨骼系统的非临床研究和临床试验。最后讨论了生物材料研究的进展如何有助于再生医学研究和干细胞治疗。该成果近日以题为“Advanced Functional Biomaterials for Stem Cell Delivery in Regenerative Engineering and Medicine”发表在知名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图一： 干细胞输送的生物材料设计和制备

可注射和可植入的递送系统提供足够的保护，使细胞在移植部位局部微环境应激下存活，并通过增强输注细胞的旁分泌和/或移植，支持病变或受损组织的功能恢复。

图二：利用纳米多孔凝胶(NPG)负载心脏干细胞(EDCs)

（A）用涡流搅拌将人体EDC封装在NPG茧中。
（B）NPG胶囊的AFM力-位移曲线。
（C）胶囊内含有或不含细胞外基质蛋白的EDC的TEM图像。
（D）在条件培养基中测定分泌细胞因子和生长因子。
（E）显示左心室射血分数的回声分析。

图三： 构建心肌细胞中肌原纤维的亚微米结构

（A）微加工和细胞印迹过程的示意图。
（B）在微图案，细胞印迹和细胞印迹PDMS上，基因TNNT2，MYH6，MYH7和CACNA1c的表达。
（C）TCPS细胞的SSC-A与Alexa Fluor 647-A的流式细胞术图像。
（D）在低i）和高ii）放大率下，AFM显示的微观和亚微观形貌。
（E）在三种不同放大倍数下用心肌肌钙蛋白T（红色）和细胞核（蓝色）标记的图案化基底上的iCM组织的共聚焦图像。
（F）共聚焦图像，依次为i）与BF合并的细胞核，ii）与BF分离的细胞核，iii）肌钙蛋白T和iv）肌节α辅肌动蛋白。

图四：采用 (POMAC)弹性体制备支架

（A）用紫外光将混合物聚合制成POMAC支架。
（B) 设计各种POMAC脚手架制作的晶格。
（C) 测量折叠支架的可注射性。
（D）POMAC和POMAC-大鼠心肌细胞的拉伸应力-应变图及其平均有效弹性值。
（E）POMAC支架注射前后的图像。
（F）注射前后支架上活(绿色)、死(红色)大鼠新生心肌细胞荧光图像。
（G）将人类工程心脏植入猪心脏的微创手术图像。

图五：生物材料中负载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转基因小鼠中生物发光成像的BMMNC。
（C）单独的col D pep，PBS +细胞，肽+细胞和col D pep +细胞处理组的激光多普勒图像。
（D）激光多普勒成像测定免疫缺陷小鼠的血流量化。

图六：利用P4HB和GelMa制备混合支架

（A）用MSC（上）和GelMa包封的MSC（下）分别接种到P4HB上。
（B）组织学和荧光染色图像以及DAPI分析。
（C）混合贴片的示意图。
（D）使用缝合线将外植体（左）和天然组织贴片（右）植入的实图。
（E）混合支架H＆E染色，横截面（左）和表面（右）。

图七： 生物材料辅助细胞治疗神经再生的策略

（A）可注射透明质酸用于递送人iPSC衍生的NPC，用于缺血性中风后的脑组织再生。
（B）SCI后神经再生的可能生物材料的设计。
（C）以Schwann细胞工程化制备神经移植物。

图八：光声刺激改善临床前模型中骨缺损的修复过程

（A）制备PLGA-GO支架的方法
（B）HE染色和胶原I/骨桥蛋白表达显示缺损部位有新的骨形成。

图九：不对称壳聚糖支架用于大鼠肌腱修复模型

（A）实验流程图
（B）ACS组分：α-氰基丙烯酸酯生物胶将壳聚糖膜和海绵组合制备层状支架。

图十：多组织复合物和MSCs片，改善犬模型中肩袖愈合

（A）外科手术图。
（B）6周时脱离肌腱的肉眼观察。
（C）Safranin O染色肌腱 - 骨插入部位的显微照片。

图十一：未来基于干细胞的疗法

个性化医疗将用于个人治疗。将进行患者状况的体外和体内评估以指导多功能递送系统的设计和制造。将工程化的自体细胞扩增并通过递送系统移植回患者以用于病变组织的功能恢复。

【总结展望】

先进的功能性生物材料作为细胞递送的载体，显示出极大的潜力，以提高干细胞为基础的治疗效果。
（1）目前研究重点是在递送细胞至靶点期间和之后改善细胞存活和保留，以保持递送细胞的旁分泌作用并提高细胞植入的可能性。
（2）只有少数生物材料用于患者的干细胞疗法，因此，应进行生物材料递送载体的其他临床试验，以阐明材料的生物物理和生物化学性质对组织修复和人类再生的影响。
（3）未来将致力于设计和制备多功能输送系统，以此改善临床结果。
（4）为制备先进的功能性递送系统，应该使用体外和体内策略来完全评估个体移植部位的局部微环境，预先评估将指定生物材料设计和制备的标准以提高治疗功效。
（5）先进的工程干细胞/衍生物也将是生物材料开发的另一个重要因素，可降低由细胞移植引起的免疫原性和致肿瘤性的风险。
（6）应该设计和制备满足待递送组分的特定性质的生物材料。

文献链接：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组大兵哥供稿，材料牛整理编辑。

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