如何利用3D打印技術制備載細胞復合水凝膠體系促進骨軟骨再生
時間：2024-08-13 11:10 來源：EngineeringForLife 作者：admin 閱讀：次
隨著老齡化人口和運動損傷率的上升，骨軟骨 (OC) 缺損正成為一個嚴重的全球健康問題，組織工程植入物為缺損區域提供機械支撐，并作為生物活性因子載體招募原位細胞或重塑局部不利微環境，提示了 OC 再生的潛在替代方法。本期，EFL以發表在雜志《The Innovation》的“3D-bioprinted anisotropic bicellular
living hydrogels boost osteochondral regeneration via reconstruction of
cartilage–bone interface”研究為例，解析如何利用由甲基丙烯酰化明膠（GelMA） 和甲基丙烯酰化海藻酸鹽 (AlgMA)
制成的復合水凝膠作為生物墨水，精確打印同時將關節軟骨祖細胞 (ACPC) 和骨髓間充質干細胞 (BMSC) 嵌入分層中的各向異性雙細胞活水凝膠
(ABLH)，促進骨軟骨再生。
為什么選擇ABLH
甲基丙烯酰化明膠（GelMA）具有出色的打印能力和快速的光交聯特點，可提高生物打印的可行性。基于GelMA 出色的生物相容性和 AlgMA 的易操作性，該研究通過雙通道擠出生物3D打印技術制造了由 GelMA 和AlgMA組成的各向異性雙細胞活水凝膠 (ABLH)。可將軟骨來源的ACPC和骨髓來源的 BMSC分配到 ABLH 的分層中，保持了高細胞活力。此外，與均質水凝膠相比，ABLH 中的新軟骨和軟骨下骨同步再生率更高，能夠調節的軟骨-骨-血管串擾，實現更好的軟骨-骨界面。
如何制備ABLH
（1）GelMA和AlgMA的合成及生物墨水制備：將類型A豬皮明膠或海藻酸鈉分別溶解在50°C的PBS中，然后分別加入甲基丙烯酸酐進行反應。之后，將溶液稀釋并在40°C下用蒸餾水透析3天，冷凍干燥3天。在使用前分別進行2小時的紫外線滅菌，隨后將GelMA溶解在37°C的PBS中，加入光引發劑和AlgMA，攪拌均勻，并加入懸浮細胞，制備成生物墨水。（EFL可提供系列GelMA和AlgMA水凝膠產品，詳詢文末區域銷售）
（2）ABLHs的生物打印：使用3D生物打印機進行生物打印，在室溫下以70 kPa的壓力擠出不同比例的生物墨水，逐漸增加擠出壓力直到線條順利擠出或達到最大70 kPa，針頭尺寸為0.3 mm，線條間距設為0.5 mm。（EFL可提供系列擠出式生物3D打印機，點擊鏈接，查看詳情）
ABLH的優勢和作用
（1）ABLH具有較好的物理機械性能和生物相容性
當 GelMA 和 AlgMA 混合時，復合生物墨水保持有效的剪切稀化行為和溫度相關模量，能夠快速交聯。在室溫下以細胞友好的擠出壓力直接打印，并在光交聯后保持構建體的穩定結構。此外，ABLH具有較好的生物相容性，適用于 OC 再生，其中7G3A 是進一步研究的最佳比例。其上方為 ACPC（3 毫米高），下方為 BMSC（5 毫米高）（圖1）。
（2）ABLH 的體外異質譜系分化
分別從兔軟骨和骨髓中分離的軟骨祖細胞 ACPC 和骨祖細胞 BMSC 在體外單層培養中進行表征和比較。兩種細胞形態相似，然而，BMSC 的克隆形成和增殖能力比 ACPC 強。隨后，使用 3D 生物打印制備了 ACPC 或 BMSC 負載水凝膠，由于在生理溫度下可打印的優勢，生物打印水凝膠促進了內部細胞的存活、增殖和擴散。在體外雙層模型中可見，水凝膠一層為無細胞層，另一層包裹細胞，ACPCs 和 BMSCs 分別在 7 或 14 天內擴散（圖2）。
為了進一步評估兩種細胞類型在早期或晚期的定向分化的潛力，將含有 ACPC 或 BMSC 的水凝膠分別暴露于軟骨或成骨培養基中進行 7 或 14 天的誘導。軟骨特異性基因（Col2a1、Acan 和 Sox9）的表達水平在體外分化過程中逐漸增加。番紅 O 染色顯示，在含有 ACPC 的水凝膠中，C-ECM 逐漸改善，免疫組織化學染色顯示COLII和ACAN 的表達在 3D 培養平臺中顯著增加。差異表達基因的熱圖顯示，軟骨形成正調控基因的表達水平增加，但負調控基因的表達水平受到抑制。深入的通路分析表明，激活的線粒體 ATP 合成和氧化磷酸化與 ACPC 向軟骨細胞譜系分化有關。骨特異性標志物的表達水平在 BMSC 負載水凝膠中上調，茜素紅染色可見O-ECM逐漸增強。熱圖顯示成骨正調控基因Gli3、Ddr2 和 Bmp2/4/7 26 的表達水平顯著增加，同時負調控基因Mdk、Hdac7和Grem1的表達被抑制。除此之外，在 BMSC 分化為成骨細胞譜系時還發現了晝夜節律信號傳導。綜上所述，ABLH 在體外 3D 培養中分別促進了 ACPC 或 BMSC 的成軟骨和成骨分化（圖3）。
（3）ABLH 促進體內軟骨修復
為了探索 ABLH 在軟骨或骨再生方面的潛在治療益處，在兔股骨滑車溝中建立了全層 OC 缺損模型。根據術后 6 周的大體和組織形態學圖像，缺損組中軟骨修復僅發生在主要由纖維結締組織組成的 C-ECM 稀少的表面。無細胞水凝膠表現出脆弱的軟骨連接和空洞骨結構，相比之下，三種載細胞水凝膠表現出相對完整的 OC 單元，形成了軟骨基質豐富的區域，ABLH 有助于位于軟骨和軟骨下骨上部的 C-ECM合成，此外，手術后 12 周，除缺損組的 OC 單元不完整外，四個水凝膠治療組的形態重建均已完成，其中BMSC 水凝膠比 ACPC 水凝膠顯示出更完整的軟骨下骨結構，ABLH 的軟骨再生效率比 ACPC 水凝膠高 23.5%，總的來說，這些發現表明 ABLH 促進軟骨的修復和更新。
（4）ABLH 促進體內骨重塑
通過微型計算機斷層掃描分析和組織學觀察詳細檢查了 ABLH 對骨重建的潛在治療效果。植入后 6 周，與缺損組相比，無細胞水凝膠對骨量改善的作用有限，表明僅靠機械支撐不足以推動新骨形成，ACPC 水凝膠傾向于在表面形成纖維組織狀連接，在深層留下囊腔，不僅誘導下層骨重建，還保持上軟骨層的完整性，提供合適的軟骨和骨發育環境。成熟骨和COLI 的特異性染色顯示，雙細胞水凝膠實現了仿生骨再生，具有高度自然的微觀結構，與含有 BMSC 的水凝膠相比，骨結構成熟度高出 20.8%（圖5）。
（5）ABLH 協調軟骨-骨-血管串擾以進行 OC 單元重建
在體外軟骨生成的過程中，攜帶ACPC的水凝膠中血管生成逐漸減弱，基因集富集分析（GSEA）進一步證實了血管生成的抑制作用。基于基因本體論（GO）的熱圖顯示，早期的軟骨生成過程中有新血管形成，但在軟骨成熟和分化結束后，這些血管的生成明顯減少。在體外成骨過程中，攜帶BMSC的水凝膠中血管生成逐漸增加，GSEA分析證實了在分化過程中血管的逐步形成，GO分析表明，血管生成、重塑和新血管的擴張對于成骨過程中骨基質的重塑必不可少。體內實驗中，通過免疫熒光染色可見，BMSC水凝膠更傾向于促進骨生成，而含有ACPC的水凝膠更有利于軟骨生成。在骨關節炎的進展過程中，軟骨下骨區的H型血管數量增加，甚至侵入軟骨組織，通過抑制H型血管的形成，可以平衡軟骨代謝并減輕骨關節炎的癥狀。在雙細胞水凝膠中，H 型血管被限制在骨層中，而不會穿透和擾亂軟骨穩態，對于獲得更和諧的軟骨-骨界面至關重要。總之，ABLH 重新配置了成骨細胞-軟骨細胞相互作用，以實現分層 OC 單元重建（圖6）。
總結
該研究構建了負載細胞的ABLH，可在室溫下直接打印，保持了細胞生長和分化的能力。在體外3D培養系統中，ACPC可分化為軟骨細胞，BMSC可分化為成骨細胞。原位植入的ABLH在體內OC缺陷模型中實現了上層軟骨細胞外基質（C-ECM）和下層骨細胞外基質（O-ECM）的特異性重建。從機制上看，ABLH通過時空調控軟骨-骨-血管的相互作用，促進了仿生OC單元的重塑。該研究提出了一種利用活細胞的雙層水凝膠生物適應性策略，為高效修復OC缺陷提供了一種全新的方法。
文獻來源：
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10746383/
為什么選擇ABLH
甲基丙烯酰化明膠（GelMA）具有出色的打印能力和快速的光交聯特點，可提高生物打印的可行性。基于GelMA 出色的生物相容性和 AlgMA 的易操作性，該研究通過雙通道擠出生物3D打印技術制造了由 GelMA 和AlgMA組成的各向異性雙細胞活水凝膠 (ABLH)。可將軟骨來源的ACPC和骨髓來源的 BMSC分配到 ABLH 的分層中，保持了高細胞活力。此外，與均質水凝膠相比，ABLH 中的新軟骨和軟骨下骨同步再生率更高，能夠調節的軟骨-骨-血管串擾，實現更好的軟骨-骨界面。
如何制備ABLH
（1）GelMA和AlgMA的合成及生物墨水制備：將類型A豬皮明膠或海藻酸鈉分別溶解在50°C的PBS中，然后分別加入甲基丙烯酸酐進行反應。之后，將溶液稀釋并在40°C下用蒸餾水透析3天，冷凍干燥3天。在使用前分別進行2小時的紫外線滅菌，隨后將GelMA溶解在37°C的PBS中，加入光引發劑和AlgMA，攪拌均勻，并加入懸浮細胞，制備成生物墨水。（EFL可提供系列GelMA和AlgMA水凝膠產品，詳詢文末區域銷售）
（2）ABLHs的生物打印：使用3D生物打印機進行生物打印，在室溫下以70 kPa的壓力擠出不同比例的生物墨水，逐漸增加擠出壓力直到線條順利擠出或達到最大70 kPa，針頭尺寸為0.3 mm，線條間距設為0.5 mm。（EFL可提供系列擠出式生物3D打印機，點擊鏈接，查看詳情）
ABLH的優勢和作用
（1）ABLH具有較好的物理機械性能和生物相容性
當 GelMA 和 AlgMA 混合時，復合生物墨水保持有效的剪切稀化行為和溫度相關模量，能夠快速交聯。在室溫下以細胞友好的擠出壓力直接打印，并在光交聯后保持構建體的穩定結構。此外，ABLH具有較好的生物相容性，適用于 OC 再生，其中7G3A 是進一步研究的最佳比例。其上方為 ACPC（3 毫米高），下方為 BMSC（5 毫米高）（圖1）。
圖1 復合生物墨水的制備和可打印性
（2）ABLH 的體外異質譜系分化
分別從兔軟骨和骨髓中分離的軟骨祖細胞 ACPC 和骨祖細胞 BMSC 在體外單層培養中進行表征和比較。兩種細胞形態相似，然而，BMSC 的克隆形成和增殖能力比 ACPC 強。隨后，使用 3D 生物打印制備了 ACPC 或 BMSC 負載水凝膠，由于在生理溫度下可打印的優勢，生物打印水凝膠促進了內部細胞的存活、增殖和擴散。在體外雙層模型中可見，水凝膠一層為無細胞層，另一層包裹細胞，ACPCs 和 BMSCs 分別在 7 或 14 天內擴散（圖2）。
圖2 復合生物打印水凝膠支持嵌入細胞的存活和增殖
為了進一步評估兩種細胞類型在早期或晚期的定向分化的潛力，將含有 ACPC 或 BMSC 的水凝膠分別暴露于軟骨或成骨培養基中進行 7 或 14 天的誘導。軟骨特異性基因（Col2a1、Acan 和 Sox9）的表達水平在體外分化過程中逐漸增加。番紅 O 染色顯示，在含有 ACPC 的水凝膠中，C-ECM 逐漸改善，免疫組織化學染色顯示COLII和ACAN 的表達在 3D 培養平臺中顯著增加。差異表達基因的熱圖顯示，軟骨形成正調控基因的表達水平增加，但負調控基因的表達水平受到抑制。深入的通路分析表明，激活的線粒體 ATP 合成和氧化磷酸化與 ACPC 向軟骨細胞譜系分化有關。骨特異性標志物的表達水平在 BMSC 負載水凝膠中上調，茜素紅染色可見O-ECM逐漸增強。熱圖顯示成骨正調控基因Gli3、Ddr2 和 Bmp2/4/7 26 的表達水平顯著增加，同時負調控基因Mdk、Hdac7和Grem1的表達被抑制。除此之外，在 BMSC 分化為成骨細胞譜系時還發現了晝夜節律信號傳導。綜上所述，ABLH 在體外 3D 培養中分別促進了 ACPC 或 BMSC 的成軟骨和成骨分化（圖3）。
圖3 負載ACPC 或 BMSC 的生物打印結構對軟骨形成或成骨的影響
（3）ABLH 促進體內軟骨修復
為了探索 ABLH 在軟骨或骨再生方面的潛在治療益處，在兔股骨滑車溝中建立了全層 OC 缺損模型。根據術后 6 周的大體和組織形態學圖像，缺損組中軟骨修復僅發生在主要由纖維結締組織組成的 C-ECM 稀少的表面。無細胞水凝膠表現出脆弱的軟骨連接和空洞骨結構，相比之下，三種載細胞水凝膠表現出相對完整的 OC 單元，形成了軟骨基質豐富的區域，ABLH 有助于位于軟骨和軟骨下骨上部的 C-ECM合成，此外，手術后 12 周，除缺損組的 OC 單元不完整外，四個水凝膠治療組的形態重建均已完成，其中BMSC 水凝膠比 ACPC 水凝膠顯示出更完整的軟骨下骨結構，ABLH 的軟骨再生效率比 ACPC 水凝膠高 23.5%，總的來說，這些發現表明 ABLH 促進軟骨的修復和更新。
圖4 ABLH 促進體內軟骨再生
（4）ABLH 促進體內骨重塑
通過微型計算機斷層掃描分析和組織學觀察詳細檢查了 ABLH 對骨重建的潛在治療效果。植入后 6 周，與缺損組相比，無細胞水凝膠對骨量改善的作用有限，表明僅靠機械支撐不足以推動新骨形成，ACPC 水凝膠傾向于在表面形成纖維組織狀連接，在深層留下囊腔，不僅誘導下層骨重建，還保持上軟骨層的完整性，提供合適的軟骨和骨發育環境。成熟骨和COLI 的特異性染色顯示，雙細胞水凝膠實現了仿生骨再生，具有高度自然的微觀結構，與含有 BMSC 的水凝膠相比，骨結構成熟度高出 20.8%（圖5）。
圖5 ABLH 加速了體內軟骨下骨的形成和重塑
（5）ABLH 協調軟骨-骨-血管串擾以進行 OC 單元重建
在體外軟骨生成的過程中，攜帶ACPC的水凝膠中血管生成逐漸減弱，基因集富集分析（GSEA）進一步證實了血管生成的抑制作用。基于基因本體論（GO）的熱圖顯示，早期的軟骨生成過程中有新血管形成，但在軟骨成熟和分化結束后，這些血管的生成明顯減少。在體外成骨過程中，攜帶BMSC的水凝膠中血管生成逐漸增加，GSEA分析證實了在分化過程中血管的逐步形成，GO分析表明，血管生成、重塑和新血管的擴張對于成骨過程中骨基質的重塑必不可少。體內實驗中，通過免疫熒光染色可見，BMSC水凝膠更傾向于促進骨生成，而含有ACPC的水凝膠更有利于軟骨生成。在骨關節炎的進展過程中，軟骨下骨區的H型血管數量增加，甚至侵入軟骨組織，通過抑制H型血管的形成，可以平衡軟骨代謝并減輕骨關節炎的癥狀。在雙細胞水凝膠中，H 型血管被限制在骨層中，而不會穿透和擾亂軟骨穩態，對于獲得更和諧的軟骨-骨界面至關重要。總之，ABLH 重新配置了成骨細胞-軟骨細胞相互作用，以實現分層 OC 單元重建（圖6）。
圖6 ABLH 協調軟骨-骨-血管串擾以重建 OC 單元
總結
該研究構建了負載細胞的ABLH，可在室溫下直接打印，保持了細胞生長和分化的能力。在體外3D培養系統中，ACPC可分化為軟骨細胞，BMSC可分化為成骨細胞。原位植入的ABLH在體內OC缺陷模型中實現了上層軟骨細胞外基質（C-ECM）和下層骨細胞外基質（O-ECM）的特異性重建。從機制上看，ABLH通過時空調控軟骨-骨-血管的相互作用，促進了仿生OC單元的重塑。該研究提出了一種利用活細胞的雙層水凝膠生物適應性策略，為高效修復OC缺陷提供了一種全新的方法。
文獻來源：
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10746383/
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