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治療肌肉骨骼組織再生通常使用生長因子（GFs）來促進(jìn)細(xì)胞遷移、增殖或分化，然而該領(lǐng)域還存在諸如時空控制較差和劑量超過生理水平等問題。細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）通過靜電相互作用調(diào)控著GFs的呈遞和保留，利用ECM模擬物的生物材料技術(shù)在組織再生方面很有前景。本文回顧了近年來在骨骼、軟骨和肌肉再生領(lǐng)域利用模擬ECM的載體調(diào)控GF呈遞的策略。

01、研究內(nèi)容簡介

在美國，18歲以上有超過一半的人，65歲以上有近四分之三的人遭受著肌肉骨骼（MSK）疾病的影響。由于65歲以上的美國人將在2030年超過20%，因此MSK疾病的規(guī)模非常龐大且影響十分深遠(yuǎn)。該疾病的發(fā)病人數(shù)遠(yuǎn)高于循環(huán)系統(tǒng)或呼吸系統(tǒng)疾病，治療費用也是巨大的。組織工程在治療MSK疾病和解決現(xiàn)有臨床方法中存在的問題等方面前景令人興奮。但需要有效的策略來影響細(xì)胞的行為，使細(xì)胞遷移、增殖并分化為所需的表型，從而構(gòu)建功能性組織亞單位或結(jié)構(gòu)。細(xì)胞行為可以通過一系列方法來調(diào)節(jié)，包括調(diào)控載體的生物物理性質(zhì)、與輔佐細(xì)胞共培養(yǎng)、遺傳操作以及諸如生長因子（GFs）等誘導(dǎo)性大分子的快速、間歇或持續(xù)性呈遞。

GFs是一類天然蛋白質(zhì)，它能刺激細(xì)胞分裂和分化，在組織發(fā)育和修復(fù)過程中具有重要作用（表1）。三十多年來，人們一直在研究GFs的遞送方式對組織再生的有效影響，尤其是在MSK的應(yīng)用方面。然而，GFs向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化并不令人滿意，主要是由于使用重組技術(shù)合成的成本高、時空控制有限以及克服蛋白質(zhì)的不穩(wěn)定所需的劑量超過生理水平從而產(chǎn)生有害的副作用。

表1 MSK組織再生中暗含的生長因子。組織再生依賴于GFs與其它細(xì)胞因子、大分子和酶的時間級聯(lián)。

關(guān)鍵詞：骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）、轉(zhuǎn)化生長因子（TGF）、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）、胎盤生長因子（PlGF）、生長分化因子5（GDF-5）、成纖維細(xì)胞生長因子18（FGF-18）、肝細(xì)胞生長因子（HGF）、胰島素樣生長因子1,2（IGF-1,2）。

內(nèi)源性細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）在組織的形成和修復(fù)中至關(guān)重要，它是細(xì)胞粘附和增殖的支架，為組織提供結(jié)構(gòu)和機械穩(wěn)定性，還能夠結(jié)合和遞送鄰近細(xì)胞分泌的GFs來調(diào)控細(xì)胞的存活、增殖和分化。除此以外，ECM通過靜電相互作用調(diào)控GFs的保留和呈遞，同時還控制著其它事件，例如調(diào)節(jié)GF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的整合素簇聚。因此，許多組織工程平臺試圖模擬ECM的特性，使用合成材料或從ECM中提取的蛋白質(zhì)和組織與其它生物材料相結(jié)合，為MSK組織再生遞送GFs（圖1）。這篇綜述將重點介紹為MSK組織修復(fù)遞送GFs的各種策略，并且會特別關(guān)注模擬或結(jié)合基于ECM的相互作用的方法。文章描述了如何使用工程化ECMs和動態(tài)控制系統(tǒng)來調(diào)控GFs的釋放。最后總結(jié)了當(dāng)前方法面臨的主要挑戰(zhàn)以及未來該領(lǐng)域潛在的研究方向。

圖1 (A)組織工程中用于影響移植或宿主細(xì)胞的GF遞送方法示例。受應(yīng)用或組織類型的驅(qū)動，人們開發(fā)了各種生物材料應(yīng)用于組織工程。由于ECM的成分通常用于指導(dǎo)細(xì)胞以及儲存GF，因此對這些生物材料做進(jìn)一步改良可以調(diào)整GFs的呈遞方式并增強遞送效果。(B)無論是合成材料還是天然提取的材料，這些生物材料的組合再加上ECM的成分，調(diào)控著GF的時空呈遞。ECM通過參與可能會加強GF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的整合素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)來提高細(xì)胞和基質(zhì)之間的分子反饋。

整體型遞送系統(tǒng)：整體型生物材料遞送系統(tǒng)使用單一的生物相容性材料或與其它平臺復(fù)合，將GFs集中在目標(biāo)部位，以基于擴散的方式控制大分子的呈遞。整體材料有多種形態(tài)，包括塊狀聚集體、微粒、水凝膠、靜電紡絲支架甚至金屬。由于制造相對容易以及化學(xué)反應(yīng)簡單，40年來整體平臺一直很受歡迎。然而，這些裝置的簡易導(dǎo)致了GFs的有效呈遞所需的時空控制有限。整體型遞送系統(tǒng)的多數(shù)方法都受到GF從載體擴散的速率限制，這取決于材料的降解速率（圖2）。因此，采用更仿生的方式遞送GFs是必要的，這能為促進(jìn)組織形成提供更多的機會。

圖2 整體型遞送系統(tǒng)、離子型遞送系統(tǒng)和基于ECM的遞送系統(tǒng)的代表性GF釋放概況。整體型載體通過擴散釋放GFs，而離子型和基于ECM的GF遞送利用帶正電荷的蛋白質(zhì)與帶負(fù)電荷的載體之間的相互作用來持續(xù)呈遞。

離子相互作用控制的生長因子遞送：內(nèi)源性組織ECM主要通過靜電相互作用調(diào)控天然GFs的保留和呈遞。ECM中帶負(fù)電荷的成分（例如GAGs、HAp等）對GFs中帶正電荷的氨基有很高的親和力。為了模擬內(nèi)源性相互作用并實現(xiàn)時空控制的改進(jìn)，離子型遞送系統(tǒng)優(yōu)先考慮制備具有更多負(fù)電荷的生物材料，以模擬GFs對內(nèi)源性ECM的高親和力。然而，其中的許多方法都需要復(fù)雜的化學(xué)作用和長時間的材料合成，從而降低了向臨床轉(zhuǎn)化的可能性。因此，利用ECM來指導(dǎo)細(xì)胞反應(yīng)和加強對GF時空控制的技術(shù)可能會得到更廣泛的應(yīng)用，這被認(rèn)為是一種向臨床轉(zhuǎn)化的途徑。

基于細(xì)胞外基質(zhì)的支架材料：ECM是基質(zhì)細(xì)胞蛋白和糖胺聚糖（GAGs）的復(fù)雜混合物，為細(xì)胞粘附、GF儲存和細(xì)胞信號通路的激活提供互補位點（圖3）。許多GFs的特點是與類肝素結(jié)合，其中GFs與內(nèi)源性ECM的硫酸乙酰肝素蛋白聚糖具有很高的親和力。這種相互作用促進(jìn)了GF的保留，使ECM能夠作為GFs的內(nèi)源性儲存庫，從而按需釋放GF維持組織內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定或參與組織修復(fù)。為了獲得組織特異的基質(zhì)微環(huán)境，可以將ECM脫細(xì)胞化并使整體型載體功能化。從豬心包提取的ECM經(jīng)脫細(xì)胞處理后用作遞送bFGF的水凝膠。ECM中硫酸基和糖基使bFGF得到保留，到第五天釋放了27.8%的bFGF，而膠原凝膠對照組釋放了73.5%的bFGF。這些數(shù)據(jù)表明，從天然組織中提取的ECM可以用于GF遞送，是促進(jìn)MSK組織再生的誘人途徑。

圖3 ECM起到儲存肌肉骨骼組織修復(fù)所需的GFs的作用。內(nèi)源性GFs通常被結(jié)合了類肝素的蛋白聚糖隔離在ECM內(nèi)。細(xì)胞與周圍ECM的結(jié)合是借助于整合素與存在于基質(zhì)細(xì)胞蛋白中的特異性配體的結(jié)合。這種相互作用也可能使GF受體簇聚在細(xì)胞表面，進(jìn)一步促進(jìn)靶細(xì)胞信號通路的激活以及由此導(dǎo)致的細(xì)胞表型變化。

總而言之，基于GF的治療在MSK組織再生中是很有前景的，在提高這一方法的功效方面，設(shè)計可以實現(xiàn)局部并且持續(xù)釋放GF的系統(tǒng)取得的進(jìn)展展現(xiàn)出了巨大的潛力。目前GF臨床應(yīng)用使用的超生理劑量的生物大分子和低親和力的載體會導(dǎo)致GF的快速釋放和不良影響的產(chǎn)生。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，人們開發(fā)了模擬ECM結(jié)構(gòu)、親和力或電荷分布的生物材料系統(tǒng)，以提高相關(guān)GFs的結(jié)合效率和功效。

02、通訊作者簡介

通訊作者：Kent Leach

Kent Leach is Professor of Biomedical Engineering and Lawrence J. Ellison Endowed Chair of Musculoskeletal Biology (elect) in Orthopaedic Surgery at University of California, Davis. His research interests are focused on developing cell-instructive biomaterials for tissue engineering, applying transport principles for growth of engineered tissues and modeling cancer, and translation from the bench to the clinic. In January 2021, he was appointed as the new Editor-in-Chief of the Journal of Biomedical Materials Research Part A, the official journal of the Society For Biomaterials (SFB). He was inducted into the College of Fellows of the American Institute for Medical and Biological Engineering (AIMBE) in 2017 and as a Fellow of the Biomedical Engineering Society in 2018. He has received multiple teaching and mentorship awards at UC Davis, and he holds many leadership roles in his scientific communities including membership on the Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society (TERMIS) America’s Council, Board of Directors of BMES, and Member-at-Large of the International Society of Fracture Repair within the Orthopaedic Research Society (ORS).

03、資助信息

這項研究得到了美國國立衛(wèi)生研究院授予JKL的編號R01 DE025475和R01 DE025899項目的支持。

04、原文信息

R.C.H. Gresham, C.S. Bahney, J.K. Leach∗, 

Growth factor delivery using extracellular matrix-mimicking substrates for musculoskeletal tissue engineering and repair, 

Bioactive Materials 6(7) (2021) 1945-1956. 

doi: 10.1016/j.bioactmat.2020.12.012