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近期，遼寧省腫瘤醫(yī)院姜大慶教授和大連理工大學齊民教授在科愛出版創(chuàng)辦的期刊 Bioactive Materials 上聯(lián)合發(fā)表研究文章：源自人類脂肪干細胞（hADSCs-Exos）的外泌體已顯示出作為修復骨缺損的有效治療工具的潛力。盡管金屬有機框架 (MOF) 支架是骨組織再生的有前途的策略，但它們在外泌體負載中的潛在用途仍未探索。受 hADSCs-Exos 和 Mg-GA MOF 潛在優(yōu)勢的啟發(fā)，課題組設(shè)計并合成了一種外泌體功能化的無細胞 PLGA/Mg-GA MOF (PLGA/Exo-Mg-GA MOF) 支架，采用hADSCs-Exos、Mg 2+和沒食子酸 (GA) 構(gòu)建獨特的納米結(jié)構(gòu)界面以同時增強成骨、血管生成和抗炎能力的好處。本文為設(shè)計具有增強成骨特性的外泌體涂層納米復合材料支架提供了有價值的新見解。

01 研究內(nèi)容簡介

由創(chuàng)傷、感染、腫瘤或固有遺傳疾病引起的骨缺損的再生是一項全球性的臨床挑戰(zhàn)。每年進行超過 1000 萬例骨移植手術(shù)，并且每年仍以 10% 的速度增長。盡管骨具有自愈能力，但較大的骨缺損優(yōu)先采用自體骨移植治療，然而，骨供應有限和供區(qū)發(fā)病率是這種方法的主要缺點。同樣，同種異體骨移植表現(xiàn)出較差的穩(wěn)定性、顯著的失敗率，并且由于免疫排斥而存在移植物抗宿主病的風險。因此，這些策略并不是骨再生的最佳治療選擇。沒有外部接種干細胞的骨再生，稱為無細胞再生，是解決這些細胞衍生問題的有希望的解決方案。事實上，植入無細胞支架用于無細胞骨組織再生已成為避免這些問題的一種前瞻性方法。

金屬有機框架 (MOF) 支架的應用是一種很有前景的骨組織再生策略。此外，庫珀等人報道了一種生物相容的多孔鎂-沒食子酸金屬有機骨架，其在生理液中的緩慢降解導致 GA 和 Mg 2+的釋放。Mg 2+是細胞中含量最豐富的二價陽離子，可調(diào)節(jié)多種細胞功能，包括細胞信號傳導、細胞生長、代謝和增殖。有研究報道，通過生物降解形成的 Mg 2+通過提高自噬活性來促進 MSCs 的成骨分化。因此，適當?shù)?Mg 2+濃度可激活細胞膜上的鈣離子通道并促進鈣沉積，這對骨骼生長至關(guān)重要。此外，Mg 2+的血管生成 和抗炎活性在各種骨再生條件下提供額外的保護。因此，這些分子是優(yōu)良的骨形成因子，是鎂骨組織工程材料廣泛用于骨修復的基礎(chǔ)。GA 及其衍生物是一組具有強效抗氧化和抗炎能力的多酚化合物。人們普遍認為，通過減輕炎癥可以恢復成骨分化，因此，GA 可以在骨形成中發(fā)揮關(guān)鍵作用。雖然關(guān)于 MOF 用于藥物輸送的研究迅速增加，它們在外泌體加載方面的潛在應用仍未得到充分探索。

示意圖為外泌體功能化 PLGA/Mg-GA MOF 支架用于加速骨再生的制造和機制的方案。PLGA/Mg-GA MOF 復合支架是使用 PLGA 和 Mg-GA MOF 的聚合物共混物使用靜電紡絲制造的。然后將人類 ADSCs 衍生的外泌體整合到 PLGA/Mg-GA MOF 復合支架上，并將功能化支架植入大鼠顱骨缺損中，以評估骨再生、血管形成和抗炎特性。

示意圖. 本文的研究概要

一. hADSC 和 hADSCs-Exos表征

在這項研究中，我們選擇脂肪組織作為外泌體的來源。人體脂肪組織是通過吸脂獲得的.通過光學顯微鏡評估的培養(yǎng)的hADSCs形態(tài)。為了鑒定 hADSC 特征，進行了多譜系電位測定和流式細胞術(shù)分析。hADSC 在各自的誘導培養(yǎng)基中分化為脂肪細胞、成骨細胞和軟骨細胞。此外，CD34 和 CD45 在 hADSCs 中呈陰性表達，而 CD105、CD73 和 CD90 呈陽性表達。

圖1. 人類 ADSC 和 hADSCs-Exos 特征。

二. PLGA/Mg-GA MOF支架的制備和表征

XRD進一步證明了 Mg-GA MOF 的成功合成。Mg-GA MOF 的結(jié)晶度為 6.96 (0.07)%。我們使用FT-IR光譜分析來表征 Mg 和 GA 之間的化學鍵和相互作用。我們使用FESEM表征了 Mg-GA MOF 顆粒的表面形態(tài)，結(jié)果表明 MOF 顆粒的尺寸和形狀是不規(guī)則的。隨后我們使用靜電紡絲技術(shù)制備了 PLGA/Mg-GA MOF 復合支架并評估了理化性質(zhì)。

圖2. Mg-GA MOF復合支架的制備和表征。

三. PLGA/Mg-GA MOF及PLGA/Exo-Mg-GA MOF支架的體外生物學特性（圖3-7）

PLGA/Mg-GA MOF支架具有良好的生物相容性。在成骨分化方面，PLGA/Mg-GA2組顯示出最有效的成骨能力，因此用于后續(xù)實驗。由于外泌體膜的負電位，Mg-GA MOF 電紡纖維帶正電。外泌體和 Mg-GA MOF的自組裝由靜電相互作用驅(qū)動。與對照組相比， PLGA/Exo-Mg-GA2中觀察到外泌體的吸附效率明顯更高。外泌體從 PLGA/Mg-GA2支架中持續(xù)緩慢釋放長達 10 天。PLGA/Exo-Mg-GA2支架的細胞相容性要比PLGA/Mg-GA2支架更好。支架上的 hADSCs-Exos與 hBMSCs 相互作用，快速促進細胞增殖和粘附。此外，PLGA/Exo-Mg-GA2支架的體外成骨、成血管及抗炎能力均強于PLGA/Mg-GA 2組。

圖3. PLGA/Mg-GA MOF支架的體外生物學特性。

圖4. hADSCs-Exos 與 PLGA/Mg-GA MOF 支架的粘附。

圖5. Exo-Mg-GA MOF 支架的體外生物學特性。

圖6. 不同支架提取物的體外成骨和血管生成作用。

圖7. PLGA/Exo-Mg-GA 支架的抗炎能力。

四. PLGA/Exo-Mg-GA MOF支架的體內(nèi)骨再生能力（圖8-9）

圖8. Micro-CT用于評估外泌體涂層 Mg-GA MOF 支架對體內(nèi)骨再生的影響。

圖9. 外泌體涂層 Mg-GA MOF 支架體內(nèi)骨再生的組織學分析。