Small:调节细胞呼吸的水凝胶静电纺纤维膜

细胞呼吸是细胞生存和功能的前提。细胞通过细胞呼吸产生的能量进行生长增殖分化迁移等生理活动,进一步参与人体组织器官的生长发育以及受损后修复的过程。一旦细胞呼吸受到抑制,则无法生长增殖分化与发挥有效的生理作用,从而导致组织修复过程延缓甚至继发损伤加重。其中,线粒体功能和微循环供氧是细胞呼吸的必要条件。然而,在糖尿病骨折中,局部高糖微环境致使线粒体功能障碍,细胞有氧呼吸能力受损;同时,由于局部高糖高ROS水平导致Hif-1通路受损,微循环重建障碍,骨折区域供氧系统瘫痪,细胞呼吸微环境被破坏。因此,糖尿病骨折修复过程细胞呼吸不论是细胞内在呼吸能力还是外在的呼吸微环境均受到抑制,导致糖尿病骨折迁延不愈,严重影响患者的生活质量并带来沉重的经济负担,是骨科以及内分泌科需解决的重大难题之一。

近期,上海交通大学医学院附属仁济医院陈皓医生和附属瑞金医院崔文国教授通过静电纺丝与水凝胶技术构建具有线粒体保护作用的人工骨膜改善BMSCs细胞呼吸,加速糖尿病骨折的修复进程,为糖尿病骨折的临床治疗提供了新的治疗策略和理论基础。(欢迎致力于组织修复重建的生物、材料、药剂、化学等各交叉专业博士后加盟该团队,50555736@qq.com

图1 功能性电纺纤维的制备与评估示意图

该研究表明,通过静电纺丝和紫外线交联的序贯过程赋予了GelMA电纺纤维膜良好的透液透气性以及优异的力学强度。体外模拟高糖微环境培养BMSCs,对比低糖微环境下,BMSCs在高糖微环境中的Hif-1α表达受到抑制,导致Hif-1通路受损。通过交联负载DFO的接枝聚乙二醇丙烯酸酯脂质体,该电纺纤维膜可以局部释放DFO,稳定BMSCs中的Hif-1α,修复Hif-1通路,一方面通过调节Bcl-2/Bax平衡,保护线粒体膜稳定性,改善细胞自身的呼吸能力;另一方面通过增加VEGF的表达,促进新生血管,重建微循环,提升局部氧气与营养供给,改善局部呼吸微环境。在小鼠糖尿病股骨远端骨缺损模型中,功能性电纺纤维膜在体内可以明显改善骨缺损区域BMSCs的细胞呼吸,加速局部微循环重建,增强BMSCs成骨分化能力,促进糖尿病骨缺损的修复与愈合。

图2 功能性电纺纤维促进小鼠糖尿病股骨远端缺损修复

该研究明确了Hif-1通路在细胞呼吸中保护线粒体的作用,同时基于细胞呼吸的治疗策略也为糖尿病骨折患者临床治疗提供了新的理论基础与可靠依据。

该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委面上项目等基金资助。

作者简介

陈皓,博士/医师,上海交通大学医学院附属仁济医院脊柱外科。致力于骨与软组织病损的相关机制研究工作,并围绕病损组织修复要求及特点设计制备相应生物支架材料,取得了一系列原创性的、具有临床与产品应用价值的研究成果。以第一/通讯作者身份发表SCI论文17篇(包括Advanced Science, Advanced Functional Materials, Small, NANO Letters, Biomaterials等国际认可的高水平期刊论文),相关研究成果获得业界认可及广泛引用,多次入选ESI高被引论文。主持该研究领域国家自然科学基金2项,省部级课题1项,入选省部级人才项目并任中国生物材料学会康复器械与生物材料分会委员。

崔文国,教授/博导、上海交大医学院附属瑞金医院/上海市伤骨科研究所。主要从事骨、关节的再生医学材料研究。发表论文150余篇,H=51,引用9000余次。主持国自然重点项目、面上和科技部重点研发课题等10余项。(欢迎跨学科的博士加盟该课题组从事博士后研究,50555736@qq.com

论文信息:

Electrospun Fibers Improving Cellular Respiration via Mitochondrial Protection

Wei Chen#, Dandan Zheng#, Yanru Chen#, Huitong Ruan, Yuhui Zhang, Xiuyuan Chen, Hongxing Shen, Lianfu Deng, Wenguo Cui*, Hao Chen*

Small

DOI: 10.1002/smll.202104012

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202104012