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生物活性玻璃增强混合微纤维球通过干细胞输送促进骨缺损修复

BCML速递 · 公众号 · · 2024-11-18 22:00

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骨缺损通常由外伤、肿瘤切除或骨感染引起，严重影响患者生活。目前，临床治疗是通过手术将自体、异体或人工骨植入缺损部位。然而，这些方法都有局限性，如：自体骨的数量有限、只适用于小的骨缺损、手术并发症；同种异体骨的排斥反应、价格昂贵；人工骨生物活性较低，术后恢复时间较长等。最近，青岛大学神经再生与康复研究院吴桐教授团队与青岛大学附属医院骨科于腾波副主任团队通过静电纺丝和电喷雾技术将无机生物活性玻璃（ BG ）和有机聚己内酯（ PCL ）有效地结合在一起，构建了三维（ 3D ） BG/ PCL 微纤维球，用于大块骨缺损的修复。该复合纤维微球的 3 D 结构可以模拟天然骨组织的组成和结构，负载骨髓间充质干细胞后，能够诱导血管生成，促进骨相关蛋白的表达上调，从而有效促进缺损部位的骨再生（示意图 1 ）。

首先，研究者制备了负载 BG 的具有取向性的 PCL 纤维，其中 BG 在纤维内均匀分布。然后将纤维切成短纤维分散在明胶溶液中，通过电纺丝制备了 BP 微纤维球，其表面显示出多孔和粗糙的结构，表明其适合细胞粘附生长。 BP 微纤维球直径范围为 1 至 5 mm ，随施加电压的增加而相应减小并且 BG 含量几乎不影响其直径（图 1 ）。

接着，研究者通过细胞活死染色确定微纤维球的生物相容性，结果显示组别的材料都生物相容性良好，无显著差异（图 2 ）。

为了进一步评价不同微纤维球上 BMSC 的成骨分化，研究者通过 ALP 染色评估不同 BP 纤维上 BMSC 的成骨分化能力。结果显示 2%BG 组的 BMSC 表现出更显著的成骨分化能力。随后通过 RT-qPCR 评估三种常见成骨基因（ ALP 、 OPN 和 RUNX2 ）的表达，结果显示 2%BP 微纤维球表现出最显著的促成骨效果。因此，选取含有 2%BG 的微纤维球用于后续体内研究（图 3 ）。

随后，研究者选择 2% BP 微纤维球用于修复大鼠股骨缺损。动物实验分为假手术组、对照组、 GelMA 组、 GelMA-B 组、 GelMA-M 组和 GelMA-MB 组，术后 4 周和 8 周取材。 Micro-CT 结果显示，术后四周，除假手术组和 GelMA-MB 组外，所有组的模塑部位均发生骨折。此外，除 GelMA-MB 组外， BV/TV 值均未超过 25% 。术后 8 周，在对照组、 GelMA 组和 GelMA-B 组的损伤部位观察到骨折。这些骨折可能与术后膝关节未固定有关。填充材料可以提供足够的机械支撑，并且 BMSC 的引入进一步增强了 BP 微纤维球的机械强度。因此，在 GelMA-MB 组中未观察到断裂。结果表明， GelMA 、 BMSC 和 BP 微纤维球具有促进骨缺损修复的潜力。在各种成分中， BP 微纤维球在增强缺损部位的机械强度方面表现出最显著的效果，同时为 BMSC 的成骨分化创造了有利的环境（图 4 ）。

为了进一步评估微纤维球对体内骨形成的影响，研究者通过 H&E 和 Masson 三色染色对标本切片进行组织学分析。结果显示，术后 4 周，对照组在缺损区域形成单层纤维组织。相比之下， GelMA 组显示出更多新形成的纤维状组织， GelMA-B 组中观察到有限数量的新毛细血管，表明新骨形成的开始。 GelMA-M 和 GelMA-MB 组仍残留未完全降解的微纤维球，但 GelMA-MB 组残余纤维球明显减少，新生血管化毛细血管显著增加，这可能归因于 BMSC 的引入。术后 8 周，观察到对照组、 GelMA 和 GelMA-B 组的缺损区域仍然明显，但所有缺陷均表现出显著的血管生成，其中 GelMA-MB 组效果最明显，且其新形成的骨结构与正常骨表现出最大程度的相似性（图 5 ）。

最后，研究者通过免疫组化染色检测了 RUNX2 、 CD31 和 OCN 蛋白的表达，结果发现 RUNX2 、 CD31 和 OCN 的表达水平在 GelMA-MB 组中最显著。这些结果表明，微纤维球与骨髓间充质干细胞相结合是刺激血管生成和成骨蛋白表达的有效策略，共同促进骨缺损的快速修复（图 6 、 7 ）。

综上所述，研究者采用静电纺丝和电喷雾技术，成功地开发了一种 BP 微纤维球。该微球具有良好的生物相容性、有利于细胞粘附的表面结构和增强成骨细胞基因表达的能力。此外， BP 微纤维球在体外表现出强大的血管生成和矿化能力，且呈现出作为干细胞载体的适合性。在大鼠股骨缺损模型中，负载 BMSC 的 BP 微纤维球表现出在血管生成和成骨分化方面的显著改善，有效促进了骨缺损的愈合。

该研究是由青岛大学神经再生与康复研究院吴桐教授团队与青岛大学附属医院骨科于腾波副主任团队合作完成，并于 2024 年 9 月 18 日在线发表于 Adv Fiber Mater 。

论文信息： R -J. Chen , Y -F. Wang , C -H. Yu , X -P. Zhang , Y -W. Wang , T -B. Yu , T. Wu . Bioactive Glass-Reinforced Hybrid Microfibrous Spheres Promote Bone Defect Repair via Stem Cell Delivery. Adv Fiber Mater 2024, https://doi.org/10.1007/s42765-024-00481-x.

供稿：江浩

审校：袁章琴

编辑：何辉