正文
斯坦福工程师们成功地将软骨样细胞和间充质干细胞装入3D水凝胶
尽管带状结构在软骨结构和功能中起重要作用，但迄今研发的大多数组织工程策略只允许具有均匀的生化和机械特征的软骨再生。软骨损伤是极为常见的，但是由于软骨的弱细胞性和无血管的特性，软骨具备有限的自愈能力。由于关节软骨从浅表层转移到深层，软骨的细胞外基质（ECM）的硬度开始增加，ECM的成分如葡糖氨基葡聚糖的含量增加，以及肥厚性软骨标志物如X型胶原蛋白含量增加。研发了各种策略进行具有梯度信号的生物材料的制备，并作为细胞的生态位，例如静电纺丝，模块化水凝胶体系，激光扫描光刻，对流扩散，微流体以及融合预制化微球。然而，这些策略中的绝大部分通常需要冗长的制造过程或者使用非细胞友好性的试剂，这不能够保证可通过均匀方式进行细胞封存的组织标尺的梯度生物材料的制造。因此，在三维空间中，梯度生态位置如何影响细胞介导的组织形成，在很大程度上尚未可知。此外，虽然最近的研究在针对力学信号（如基质的硬度）在调节各种细胞命运（包括细胞的增殖和分化）的作用上取得了突破，但是激活或者阻断机械感应如何影响3D组织中细胞命运和ECM的形成仍有待研究。
为了将带状结构设计为工程软骨，一种策略是将软骨细胞进行模式分类，从有不同区域带状特异性表型的软骨细胞，到不同层化的软骨细胞。利用连续的光聚合，多层水凝胶可以从不同的区域中被分离出来，并被封装在不同的层中，以更好地模拟体内带状结构。另一种策略是利用单一的细胞来源，利用多层的水凝胶，利用不同的生化和机械性能，进行基质特征的模式归类。在介导细胞命运和组织形成方面，生物化学和物理的特征都发挥了重要作用。间质干细胞(MSCs)和一种被包裹在多层支架上的软骨细胞表现出带状特异性的分化，这些多层支架具有空间变化的基质组分和机械特征。虽然上述的策略已经改善了用均匀的水凝胶获得的工程软骨的带状结构，但获得的组织显示出了独特的层，而原生软骨则以连续的梯度方式过渡。此外，由于界面上的水凝胶硬度的不连续性，层间界面往往是脆弱的，容易受到机械应力的影响下分离。
与多层水凝胶相反，仿生梯度水凝胶在生物化学和/或机械特征上具有连续的变化，从而在在体内可更精确的模拟组织连接和带状结构形成。为了来更好地模拟骨和软骨接触面，进行MSCs在3D空间中的带状特异性分化的诱导，容纳可溶性因子梯度的水凝胶通过含有不同梯度的重组人骨形态发生蛋白2（rhBMP-2）和胰岛素生长因子（rhIGF-1）的微球体所制造出来。另外，还制备了不同基质硬度的水凝胶，并使用发育信号诱导区域依赖性的MSC分化。还使用具有生物化学特征的聚丙烯酰胺（PAAM）水凝胶来制备含有不溶性基质梯度（例如,硬度）的水凝胶。此外，还开发了一种基于微流体的方法，制备双梯度聚乙二醇(PEG)水凝胶，其包含了化学和物理梯度，但这种微尺度平台不适合用于临床空间上制造组织大小的梯度水凝胶。虽然细胞在体内的3D生态位存留，但以前的报告主要局限于2D研究，这是因为在组织规模的三维梯度水凝胶中以快速和细胞友好的方式封装细胞是一项挑战。因此，仍然迫切需求开发一种生物材料平台，通过这个平台可以对在3D中的组织梯度水凝胶中的细胞进行研究。目前研究的目的是开发一种细胞兼容性好的方法，用于制造组织大小的梯度水凝胶作为3D细胞特征，从而指导带状结构的软骨再生。我们假设具有硬度梯度的水凝胶将会诱导封存细胞在3D空间中产生带状特异性反应，并且通过梯度水凝胶中新沉积的组织来模拟本身关节软骨的带状结构。为了测试这个假设，将新生的牛软骨细胞或者人骨髓间充质干细胞密闭在3D梯度水凝胶中7或21天。使用机械测定、定量基因表达、生化检验和组织学来评价梯度水凝胶中新形成组织的情况。
带状组织在软骨结构和功能上起着重要的作用，然而迄今为止开发的大多数组织工程策略只能允许具有均匀生化和机械特征的软骨再生。为了更好地还原组织结构和功能，对于具有仿生梯度生态位特征的工程材料有巨大的需求，这些材料可以重现原生组织。为了解决这个关键的未满足需求，我们在这里报告一种快速形成组织梯度水凝胶作为具有生化和物理特性可调的3D细胞生态位方式。当密闭在硬度梯度水凝胶中时，软骨细胞和间充质干细胞都显示出带状特异性的反应和细胞外沉积，这可模拟了关节软骨组织的区域构成。使用blebbistatin阻断细胞机械感应消除了具有硬度梯度的3D水凝胶中的软骨细胞带状区反应。这样的组织大小的梯度水凝胶可以提供3D人造细胞生态位，从而使各种组织类型能够打印带状结构或者组织接触面。
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作者：Danqing Zhu, Ph.D. , Xinming Tong, Ph.D. , Pavin Trinh , Fan Yang, Ph.D
参考来源：
http://www.genengnews.com/gen-exclusives/3d-hydrogels-for-tissue-specific-cartilage-repair/77900950
