挤出式生物3D打印构建3D支架，探究共生微巣促进骨缺损愈合机制

来源： EngineeringForLife

由急性创伤、感染 、肿瘤切除或先天性疾病造成的骨不连及骨缺损是常见的骨科疾病，也是骨科治疗的难题。而3D打印支架已经显示出促进组织修复的优越性，但是，支架材料促进骨损伤愈合的作用机制以及不同材料组分的3D打印支架植入后激活细胞水平特异性分子调控网络还有待揭示。而了解不同3D支架材料植入后对骨修复进程的调节机制以及再生组织中不同细胞行为及功能的改变调节机制，对于揭示促进骨修复的细胞行为变化、基因表达以及调控网络具有重要的意义。

来自上海交通大学医学院的邓廉夫团队利用EFL挤出式生物3D打印机（EFL-BP-6601）制备三种3D支架并通过生物学功能的改变评估了其生物材料提供的共生微巣对细胞功能以及骨再生过程的特异性调控机制。通过RNA-Seq技术，在转录水平解析3D支架材料对于组织再生过程基因表达的影响，通过基因功能分析获得Hydrogel、PCL和β-TCP支架材料的生物学特性(图1)。相关研究“Transcriptome Analysis Revealed the Symbiosis Niche of 3D Scaffolds to Accelerate Bone Defect Healing”发表于《Advanced Science》杂志上。

图1 转录水平分析揭示了Hydrogel、PCL和β-TCP 3D打印支架促进骨缺损愈合作用

研究人员首先评估了三种支架的制备工艺，扫描电镜（SEM）显示了三种支架不同的微观结构(图2)。并通过细胞活/死染色和CCK8实验表明了Hydrogel、PCL和β-TCP 3D打印支架具有良好的生物相容性(图3)。

图2 Hydrogel、PCL和β-TCP支架的构建

图3 Hydrogel、PCL和β-TCP支架的生物相容性

为了评估Hydrogel、PCL和β-TCP 3D打印支架在缺陷处促进骨再生的功能，通过支架体内植入实验评估和量化了新骨形成的差异，发现支架的植入加速了骨愈合(图4)。利用组织学分析对比了Hydrogel、PCL、β-TCP以及无支架组，染色结果显示了支架的植入促进了软骨痂中骨化中心、新骨、血管和纤维组织的形成(图5)。而转录水平分析表明了Hydrogel、PCL和β-TCP支架具有加速骨愈合的功能(图6)。

图4 Hydrogel、PCL和β-TCP支架材料骨再生的体内实验评估

图5 Hydrogel、PCL和β-TCP支架在缺陷区新形成组织的组织形态学分析

图6 转录水平分析Hydrogel、PCL和β-TCP支架

为了在生物过程、细胞成分和分子功能水平上分析差异表达基因（DEGs）的功能，研究人员使用了GO富集分析以及KEGG富集分析(图7、8)揭示了DEGs的功能，并通过转录组测序技术解码不同支架材料对于骨再生修复过程关键细胞与分子调控的影响(图9)。

图7 DEGs支架组与对照组的GO富集分析

图8 DEGs支架组与对照组的KEGG富集分析

图9 转录水平分析Hydrogel、PCL和β-TCP支架组中信号转导差异

为揭示不同组中DEGs编码的蛋白质功能，进行了蛋白质-蛋白质相互作用网络（PPI）分析(图10)，结果显示细胞分裂周期蛋白(Cdc蛋白家族)在Hydrogel和PCL组中富集。

图10 蛋白质-蛋白质相互作用网络（PPI）分析

为了进一步验证Hydrogel、PCL和β-TCP对由支架、细胞和再生组织组成的共生微巣对于骨愈合过程的调节功能，细胞实验以及组织形态学分析显示了Hydrogel、PCL和β-TCP支架可加速骨愈合过程(图11)。

图11 体内外支架对共生微巣中细胞或组织的调节作用

综上，本文初步探究了三种材料在植入骨缺损部位后与细胞和周围组织形成的共生微巣对于骨愈合过程软骨痂向硬骨痂转变阶段的转录水平的调节作用，并揭示了不同材料的特异性功能。并尝试使用转录组测序技术解码不同支架材料对于骨再生修复过程关键细胞与分子调控的影响，为后续应用于骨再生的生物支架材料设计及骨再生过程的特异性调控提供思路。而进一步的实验研究需要通过分子生物学方法，对支架材料植入体内后发挥的作用机制与可能产生的副作用进行验证，并进一步阐明其作用机制，促进其形成工程化产品并应用于临床的进程。此外，在后续的支架材料设计中，应根据作用机理，精细设计支架材料，充分利用不同材料的特性，提高材料使用的安全性与组织再生的高效性。

文章来源：

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