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超声产生的气泡增强复合胶原水凝胶中间充质基质细胞的成骨分化

BCML速递 · 公众号 · · 2024-10-29 22:10

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创伤和疾病引起的骨缺损是当前全球卫生健康领域面临的重大挑战之一，每年造成巨大的经济和劳动力损失，已成为相关研究的关注焦点。目前，尽管自体和同种异体骨移植可以用于临床骨缺损的部分治疗，但由于供应有限、恢复时间长以及供体部位可能存在病变等限制因素，无法满足当前的临床需求。近年来，随着对组织工程和间充质干细胞（ MSC ）疗法的深入研究，为骨组织有效再生带来了新希望。然而，在基于 MSC 的转化过程中仍然面临局部给药困难、 MSC 分离、扩增和分化过程复杂等障碍，限制了其在临床应用中的发展。

基于上述研究背景，密歇根大学的 Mario L. Fabiilli 教授开发了一种基于 I 型胶原的声响应性支架，其中含有相变碳氟乳剂（ PFC ）。当暴露在超过阈值振幅的超声波，该支架会引起声液滴汽化（ ADV ），从而导致基质 - 气泡界面附近基质局部压缩和硬化，并诱导 MSC 进行成骨分化。这为动态调控 MSC 成骨分化提供了新思路（图 1A-C ）。

首先，研究者通过 FITC 标记 I 型胶原发现，气泡的形成能够使气泡 - 胶原界面处的胶原纤维更加致密，从而导致局部荧光信号升高（图 1D ）。超高速摄像机图像显示，在 4.2 MPa 阈值超声激发下，胶原 ARS 可以在 0.2 μ s 内产生 ADV ，引起气泡内液滴折射率的变化，并出现 PFC 相的膨胀，从而产生连续的膨胀和收缩周期，诱导凝胶中出现重复应变并引起纤维和胶原网络微结构的重排（图 1E-H ）。

进一步，研究者对气泡的大小以及其微观力学性能进行了检测。首先，共聚焦显微镜图像显示，第 7 天时，气泡的尺寸和被压实的胶原面积逐渐趋于稳定（图 2A-D ）。随后，原子力显微镜（ AFM ）结果显示相较于纯胶原水凝胶， ARS 水凝胶中气泡周围基质的杨氏模量显著增加（图 2E, F ）。上述结果表明通过挤压胶原网络结构来产生 ARS 中的气泡可以提高其刚度。

进一步，研究者对 ADV 的生物学效应进行了检测。通过活死染色和台盼蓝染色显示， ADV 不会影响胶原水凝胶的生物相容性，且对 MSC 的增殖无明显影响（图 3 ）。此外，免疫荧光染色结果显示，在 ADV 周围刚度升高的基质中， MSC 中成骨分化标志物 Runx2 以及 OCN 的表达显著升高，而与干性相关的 CD90 表达则明显减少（图 4 ）。茜素红染色以及 ALP 活性检测结果也类似， ADV 可以显著提高 MSC 中 ALP 的活性并促进矿化结节形成（图 5 ）。综上所述，在体外条件下， ADV 可以通过升高胶原凝胶的刚度诱导 MSC 成骨分化。

在明确了 ARS 水凝胶中 ADV 的体外作用后，研究者进一步通过将水凝胶植入皮下探索了 ARS 水凝胶的体内成骨分化效果。 B 超结果显示，在超声的诱导下， ARS 水凝胶中也可观察到显著的 ADV 现象（图 6A-C ）。 H&E 染色也发现 ARS 组中存在大量气泡（图 6D-H ）。上述结果表明， ARS 水凝胶在体内同样能够产生 ADV 现象，并引发大量气泡。

此外，研究人员还通过天狼星红染色检测了 ARS 水凝胶中胶原纤维的排列情况，结果显示 ARS 近端区域的胶原浓度显著升高（图 7A-B ），并且胶原纤维排列更加有序（图 7C-F ）。免疫荧光染色也表明相比于对照组， ARS 组中 MSC 成骨分化标记物 Runx2 以及 OCN 的表达显著升高，而 MSC 干性标志物 CD90 的表达则显著减少。茜素红染色结果也显示在 ARS 近端区域，形成了大量的矿化结节（图 8-9 ）。综上所述， ARS 水凝胶在体内同样可以通过 ADV 产生大量气泡，引起局部胶原密度升高，从而诱导 MSC 成骨分化。

综上所述，研究者开发了一种可以通过 ADV 效应产生大量气泡引起基质 - 气泡界面附近基质变化的 ARS 水凝胶，从而动态调控 MSC 成骨分化。该研究对于理解 MSC 的成骨分化机制以及开发新的骨再生策略具有重要意义。

该研究由美国密歇根大学的 Mario L. Fabiilli 教授团队完成，并于 2024 年 9 月 20 日在线发表于 Bioactive Materials 上。

文献信息 :Somnath Maji, Mitra Aliabouzar, Carole Quesada, Anjali Chiravuri, Aidan Macpherson, Abigail Pinch, Karsyn Kazyak, Ziyad Emara, Bachir A. Abeid, Robert N. Kent III, Firaol S. Midekssa, Man Zhang, Brendon M. Baker, Renny T. Franceschi, Mario L. Fabiilli*. Ultrasound-generated bubbles enhance osteogenic differentiation of mesenchymal stromal cells in composite collagen hydrogels. Bioact. Mater. 2025, 43: 82-97.

供稿：于启帆

审校：马进进

编辑：石家旭