新发现,负载干细胞的可注射多孔微球促进骨质疏松症的骨重建

2020-03-18 文章来源:上海交通大学医学院附属瑞金医院 崔文国教授 点击量:35   我要说

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近日,上交大医学院附属瑞金医院崔文国教授和同济附属十院蔡明主任的团队合作开发了一种负载干细胞的可注射水凝胶微载体,期望通过局部注射方式,实现骨质疏松局部组织的干细胞骨修复。该团队通过微流控技术,构建可精确控制的水凝胶多孔微球(该课题组可小量产),实现了干细胞在多孔微球上的高活性负载,微创注射到骨质疏松区域原位促进松质骨重建。

图1.负载干细胞的多孔微球制备和干细胞负载示意图

骨质疏松是一种全身性疾病,发病率高,危害大。严重骨质疏松甚至会导致脊柱,髋部,肱骨近端等常见部位的骨折发生,威胁着老年人群的生命健康。目前抗骨质疏松主要通过口服全身给药的方式逆转骨丢失,药物类型主要包括抑制骨吸收的双膦酸盐和促进骨形成的重组人甲状旁腺激素。这种治疗方式存在一定的弊端,长期全身给药会大大提高不良反应的发生率,比如心血管风险,上颌骨坏死,甚至骨肿瘤的发生。同时,口服药物的全身治疗不能够实现骨折高发部位的局部骨增强,在降低骨折发生率方面成效不够显著。骨质疏松在病理组织上主要表现为骨小梁厚度降低,间隙变宽。松质骨内部疏松的网状结构为局部注射治疗提供了可能。如何通过微创的局部注射方式促进骨形成成为了再生医学一个重要的研究问题。

该团队通过微流控的流速、溶液浓度等系列参数协同调节,精确控制水凝胶微球生成的尺寸,避免传统方法生成微球不均一的缺陷。扫描电镜显示该技术生成的微球表面结构均一,孔径分布均匀,通过调节水凝胶浓度可以影响微球表面孔径的大小。冰冻切片显示微球内部同样存在有分布均匀的立体网状结构,内部结构孔隙平均比微球表面孔径大10-20 μm左右。将干细胞滴加在干燥的多孔微球上,细胞伴随溶液的吸附进入微球内部。当微球表面孔径过大时,孔隙容易塌陷,闭合,影响细胞进入,孔径过小时,细胞只能吸附在微球表面,不能有效进入微球内部。

图2.传统干细胞交联微球(P-CEM)和干细胞多孔微球(F-CLM)中细胞的存活和增殖


图3.BMSCs在传统干细胞交联微球(P-CEM)和干细胞多孔微球(F-CLM)中的成骨潜能

研究团队通过构造股骨远端骨缺损模型,将微球注射到骨组织缺损部位,观察其促进新骨生成的能力。从而证明该载干细胞多孔微球在体内具有很好的促进局部骨组织再生的能力。研究结果显示,载干细胞多孔微球在注射后1周和3周都表现出良好的骨再生性能。

图4. 微球注射后新生骨组织的组织形态学分析

以上研究成果近期以“Stem cell-laden injectable hydrogel microspheres for cancellous bone regeneration”为题,发表在《Chemical Engineering Journal》上。该工作得到了国家重点研究开发项目、国家自然科学基金等项目的资助。项目完成得到瑞金医院/上海市伤骨科研究所邓廉夫教授和骨科王蕾主任的指导和帮助。

论文第一作者:吴杰洲、李亘

论文通讯作者:蔡明、崔文国

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通讯作者简介

蔡明教授,同济大学附属第十人民医院博士生导师,主要从事骨质疏松骨折的微创治疗、骨修复与再生以及肩肘关节损伤修复的相关研究。目前以第一/通讯作者发表SCI论文30多篇,专利4项,担任International Orthopedics 等多家杂志的特约审稿人及评审专家。

主持包括国家自然科学基金项目在内的多项国家级课题;曾荣获包括华夏医学科技奖二等奖、上海市中西医结合科技奖一等奖、中国中西医结合科技奖三等奖等。目前担任中国中西医结合学会骨质疏松学组委员,SICOT中国部肩肘外科委员等多项学术兼职。


崔文国教授,上海交通大学医学院附属瑞金医院博士生导师。主要基于转化医用材料,从事骨组织工程与骨关节修复重建的研究。以第一/通讯作者发表SCI论文110多篇(IF>10的20余篇),专利40多项,引用5500多次、H=38。

任Mater Sci Eng:C和BMC Mater副主编,多本杂志的编委和客座主编。曾获国家级青年人才计划、主持国家自然科学基金重点项目等课题,参与获得上海市科技进步一等奖、教育部科学研究成果一等奖、二等奖等多次。任中华医学会骨科基础青年委员、生物医学工程学会青年委员等。

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