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  組織工程支架（Tissue engineering scaffolds）在組織醫(yī)學(xué)和干細(xì)胞治療中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。采用傳統(tǒng)手術(shù)進(jìn)行的支架移植常伴隨著大型開放式手術(shù)和術(shù)后感染等問題，直接影響患者生活。微創(chuàng)手術(shù)具有減少患者痛苦，操作方便，提高臨床安全性等優(yōu)勢(shì)，近年來迅速發(fā)展。以聚合物水凝膠和微球?yàn)榇淼目勺⑸渖锊牧鲜悄壳白罴训奈?chuàng)手術(shù)使用的細(xì)胞載體。但大部分水凝膠是一種流體填充劑，缺少細(xì)胞生長(zhǎng)所需的三維空間。而傳統(tǒng)的聚合物微球的表面光滑，也沒有為細(xì)胞增殖提供足夠的內(nèi)部空間。進(jìn)行注射操作時(shí)，包埋或附著在水凝膠中或微球表面的細(xì)胞將面對(duì)不同的壓力和摩擦，這些傷害可誘導(dǎo)細(xì)胞破裂或凋亡，降低細(xì)胞治療的效果。

  針對(duì)上述困難，清華大學(xué)的陳國(guó)強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)利用生物材料聚羥基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoate, PHA）和氣-水乳化技術(shù)（gas-in-oil-in-water double emulsion），設(shè)計(jì)出一種直徑為300–360 μm的可注射開放式多孔微球（Open porous microsphere, OPM），可作為細(xì)胞生長(zhǎng)和運(yùn)輸?shù)奈⑤d體（microcarrier）。PHA-OPM具備了PHA良好的生物相容性、微球的可注射性和組織工程支架的開放式三維空間結(jié)構(gòu)的三重優(yōu)勢(shì)，是一種特殊的球狀的三維培養(yǎng)載體。其特殊的開放式多孔結(jié)構(gòu)能在體外培養(yǎng)時(shí)幫助細(xì)胞向內(nèi)生長(zhǎng)；在注射運(yùn)輸過程中起到支撐作用，保護(hù)微球內(nèi)部的細(xì)胞免于擠壓和摩擦；并能實(shí)現(xiàn)動(dòng)物體內(nèi)釋放細(xì)胞和組織修復(fù)的目的（圖1）。由于PHA-OPM的操作原理和治療目和圣經(jīng)中諾亞方舟（躲避災(zāi)害將生命的火種運(yùn)輸?shù)叫麓箨懀┑墓适潞芟嗨疲訮HA-OPM也被形象地稱為細(xì)胞的微型諾亞方舟（Micro-Noah''s Ark for cells）。該成果有望為再生醫(yī)學(xué)、微創(chuàng)手術(shù)及干細(xì)胞治療提供一種新的工具。

圖1. 細(xì)胞的微型諾亞方舟——聚羥基脂肪酸酯開放式多孔微球（PHA-OPM）及其的治療方法

  通過接種人來源的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSC），該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)PHA-OPM 的細(xì)胞接種率高達(dá)93.4%,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)微球（PHA-HM）；在10天的體外培養(yǎng)測(cè)試中，接種于PHA-OPM細(xì)胞能持續(xù)增長(zhǎng)，而對(duì)照組PHA-HM的細(xì)胞培養(yǎng)至第7天出現(xiàn)大量凋亡，甚至細(xì)胞死亡的現(xiàn)象（圖2a）。 通過激光共聚焦顯微鏡等結(jié)果證實(shí)：待細(xì)胞生長(zhǎng)至7天時(shí)，傳統(tǒng)微球表面的空間已經(jīng)完全被占用，無法滿足細(xì)胞進(jìn)一步生長(zhǎng)的需求，而PHA-OPM還可提供大量的內(nèi)部三維空間，有利于細(xì)胞的擴(kuò)展和遷移（圖2b-e）。

圖2. PHA-OPM與傳統(tǒng)微球PHA-HM的細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)對(duì)比

  通過該團(tuán)隊(duì)自創(chuàng)的魏氏冷凍有序切割法（WEI Frozen Orderly Section）和三維重塑技術(shù)，可清晰地觀察細(xì)胞從PHA-OPM表面向內(nèi)部遷移的過程（圖3）。

圖3. 細(xì)胞在PHA-OPM的表面分布及向內(nèi)部遷移的過程

  該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步證實(shí)，PHA-OPM的開放多孔結(jié)構(gòu)可顯著保護(hù)大部分細(xì)胞免于注射時(shí)產(chǎn)生的壓力和摩擦；也直接影響干細(xì)胞細(xì)胞定向分化和組織修復(fù)等結(jié)果。進(jìn)行hMSC異體成骨修復(fù)測(cè)試，利用PHA-OPM為載體的實(shí)驗(yàn)組效果遠(yuǎn)優(yōu)于其他對(duì)照組（圖4）。每一個(gè)PHA-OPM如同一個(gè)小小的諾亞方舟，負(fù)載大量的具有功能的干細(xì)胞進(jìn)行組織修復(fù)工作。

圖4. 基于PHA-OPM及對(duì)照組的異體成骨修復(fù)測(cè)試

  除了先進(jìn)的開放式多孔結(jié)構(gòu)，PHA-OPM還具有材料的優(yōu)勢(shì)。PHA是一種由微生物合成的純天然生物材料，具有良好的生物相容性和生物可降解能力，是一種潛在的醫(yī)學(xué)組織工程材料。陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)一直從事PHA的微生物合成及應(yīng)用研究，其研究成果已代謝工程、生物塑料、再生醫(yī)學(xué)與組織工程、藥物化學(xué)、太空醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)表多項(xiàng)成果（見參考文獻(xiàn)）。大量研究表明，PHA的生物相容性優(yōu)于PLA為代表的其他聚酯材料。主要原因在于，PLA的主要降解產(chǎn)物乳酸為酸性的小分子物質(zhì)，大量釋放將影響細(xì)胞的生長(zhǎng)，而PHA的主要降解產(chǎn)物3-羥基丁酸（3-hydroxybutyrate，3HB）的酸性遠(yuǎn)小于乳酸，具有更小的細(xì)胞刺激性，且一定濃度的3HB對(duì)細(xì)胞活性有促進(jìn)作用。因此，采用PLA制備的相似結(jié)構(gòu)的開放式多孔微球（PLA-OPM），不論是細(xì)胞增殖、體外定向分化還是組織修復(fù)都不及PHA-OPM效果顯著（圖5）。

圖5. PHA-OPM與PLA-OPM的細(xì)胞增殖及分化實(shí)驗(yàn)對(duì)比

  以上相關(guān)成果分別發(fā)表在最新一期的Advanced Materials上。論文的共同第一作者為清華大學(xué)的博士生魏岱旭和刀金威，魏岱旭還是清華大學(xué)-北京大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心（CLS）2014級(jí)博士生，通訊作者為清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心主任陳國(guó)強(qiáng)教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201802273

  參考文獻(xiàn)：

  陳國(guó)強(qiáng)，魏岱旭 主編. “十二五”國(guó)家重點(diǎn)圖書 《天然高分子基新材料叢書——微生物聚羥基脂肪酸酯》. 化學(xué)工業(yè)出版社. 2014年.