Small:具备成骨成血管耦合功能的营养组织电喷微球

1、研究背景

骨组织再生是一个多种细胞参与的愈合过程,其中包括间充质干细胞的募集、生长因子的释放、新生血管的长入、成骨细胞的增殖分化等。间充质干细胞与血管细胞在此过程中均扮演着重要的角色,早期血管细胞的募集,新生血管化网络的形成有助于传递和代谢骨修复所需要的营养,并将干细胞输送至缺损位置生产骨形成细胞,并提供磷酸根等无机盐离子为后期的骨矿化奠定基础。骨生成与血管生成在骨缺损重建中的紧密关系被称为“成骨成血管耦合”。因此,研究制备载细胞营养组织微球,建立装载细胞与组织周围细胞的调控环路,促进成骨成血管耦合,对骨再生具有重要的研究意义和应用价值。

2、文章概述

近日,香港理工大学赵昕副教授课题组通过静电喷雾技术制备了装载干细胞与营养细胞的微球,该微球可滋养球内外细胞,增强球内外部细胞联系。微球内装载的间充质干细胞可以产生活性气体一氧化氮(NO),在调控自身成骨分化的过程中,可释放NO至缺损组织处,促进周围BMSCs和内皮细胞(ECs)在骨缺损部位的成骨-血管生成耦合,可有效促进骨组织修复。

该技术制备了装载L-精氨酸掺杂的羟基磷灰石纳米粒子(Arg/HA NPs)和骨间充质干细胞(BMSCs)的海藻酸钠微球(Arg/HA-SA@BMSC)。Arg/HA NPs持续稳定地释放L-精氨酸和Ca2+,微球内的BMSCs在Ca2+催化下下将L-精氨酸代谢成生物活性气体一氧化氮(NO),从而激活一氧化氮(NO)/环状鸟苷一磷酸(cGMP)信号通路。NO/cGMP通路的激活进一步调控cGMP依赖性蛋白激酶(PKG),从而刺激细胞外调节蛋白激酶(ERK1/2)的下游信号传导,进而分别诱导BMSCs的成骨分化和ECs的血管生成。同时,生成的NO与Ca2+和L-精氨酸扩散至微球外,在装载的细胞与周围细胞间产生内部/外部调控回路,促进周围BMSCs和ECs在骨缺损部位的成骨-血管生成耦合。在大鼠颅骨缺损模型的治疗中,这种装载再生营养元素的微球可有效增加骨组织形成和新血管再生。该微球系统作为一种高通量、微创且高效加速骨愈合的策略可简化血管化骨再生的治疗方案。

3、图文导读

图2 BMSCs在微球中的成骨分化表征。(A、B)BMSCs在微球中的碱性磷酸酶染色与茜素红染色结果。(C、D)碱性磷酸酶染色与茜素红染色定量分析结果。(E、F)BMSCs在微球中的一型胶原荧光染色与定量结果。(G-I)Col-1、OCN与BMP-2成骨分化基因的表达。

图3 微球对外部BMSCs与HUVEC细胞的调控作用。(A)BMSCs和HUVECs与微球共培养示意图。(B、C) 与微球共培养的BMSCs的碱性磷酸酶染色与茜素红染色结果。(D、E) 与微球共培养的HUEVC的CD31免疫荧光染色与成管实验结果。

该项目获得国家优秀青年科学基金项目(港澳)(82122002)与香港理工大学intra-faculty基金(ZPVC)等项目的资助,谨此感谢。

赵昕博士现为香港理工大学生物医学工程系副教授, 博士生导师。赵博士团队致力于工程学、生物学、医学等多学科交叉领域中的基础及应用研究工作,主要研究兴趣包括生物活性材料、靶向药物递送、组织工程支架、器官芯片等。截止目前,在Nat. Mater.Proc. Natl. Acad. Sci. USAMater. TodayAdv. Funct. Mater.BiomaterialsSmall等国际顶级期刊发表论文100余篇,论文累计总引用5000余次,H指数为39(Google Scholar Citations),6篇论文入围“ESI高被引论文”。作为主要申请人主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目(港澳)、香港研究资助局、香港创新科技署及香港食物及卫生局科研项目总计10余项,共计受资助1500余万港币。此外,她负责的“光交联纳米复合仿生植骨材料”项目获得2021年日内瓦国际发明奖银奖。赵博士还担任中国英文期刊《Engineered Regeneration》创刊主编和《Bio-Design and Manufacturing》副主编。。

论文信息:

Electrosprayed Regeneration-Enhancer-Element Microspheres Power Osteogenesis and Angiogenesis Coupling

Tianpeng Xu, Yuhe Yang, Di Suo, Ho Pan Bei, Xiaoxiao Xu, Xin Zhao*

Small

DOI: 10.1002/smll.202200314

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202200314