組織工程支架（Tissue engineering scaffolds）在組織醫(yī)學和干細胞治療中發(fā)揮著關鍵作用。采用傳統(tǒng)手術進行的支架移植常伴隨著大型開放式手術和術后感染等問題，直接影響患者生活。微創(chuàng)手術具有減少患者痛苦，操作方便，提高臨床安全性等優(yōu)勢，近年來迅速發(fā)展。以聚合物水凝膠和微球為代表的可注射生物材料是目前最佳的微創(chuàng)手術使用的細胞載體。但大部分水凝膠是一種流體填充劑，缺少細胞生長所需的三維空間。而傳統(tǒng)的聚合物微球的表面光滑，也沒有為細胞增殖提供足夠的內(nèi)部空間。進行注射操作時，包埋或附著在水凝膠中或微球表面的細胞將面對不同的壓力和摩擦，這些傷害可誘導細胞破裂或凋亡，降低細胞治療的效果。
針對上述困難，清華大學的陳國強教授團隊利用生物材料聚羥基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoate, PHA）和氣-水乳化技術（gas-in-oil-in-water double emulsion），設計出一種直徑為300–360 μm的可注射開放式多孔微球（Open porous microsphere, OPM），可作為細胞生長和運輸?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構的三重優(yōu)勢，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構能在體外培養(yǎng)時幫助細胞向內(nèi)生長；在注射運輸過程中起到支撐作用，保護微球內(nèi)部的細胞免于擠壓和摩擦；并能實現(xiàn)動物體內(nèi)釋放細胞和組織修復的目的（圖1）。由于PHA-OPM的操作原理和治療目和圣經(jīng)中諾亞方舟（躲避災害將生命的火種運輸?shù)叫麓箨懀┑墓适潞芟嗨，所以PHA-OPM也被形象地稱為細胞的微型諾亞方舟（Micro-Noah''s Ark for cells）。該成果有望為再生醫(yī)學、微創(chuàng)手術及干細胞治療提供一種新的工具。
圖1. 細胞的微型諾亞方舟——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干細胞（hMSC），該團隊發(fā)現(xiàn)PHA-OPM 的細胞接種率高達93.4%,遠高于傳統(tǒng)微球（PHA-HM）；在10天的體外培養(yǎng)測試中，接種于PHA-OPM細胞能持續(xù)增長，而對照組PHA-HM的細胞培養(yǎng)至第7天出現(xiàn)大量凋亡，甚至細胞死亡的現(xiàn)象（圖2a）。 通過激光共聚焦顯微鏡等結果證實：待細胞生長至7天時，傳統(tǒng)微球表面的空間已經(jīng)完全被占用，無法滿足細胞進一步生長的需求，而PHA-OPM還可提供大量的內(nèi)部三維空間，有利于細胞的擴展和遷移（圖2b-e）。
圖2. PHA-OPM與傳統(tǒng)微球PHA-HM的細胞增殖實驗對比
通過該團隊自創(chuàng)的魏氏冷凍有序切割法（WEI Frozen Orderly Section）和三維重塑技術，可清晰地觀察細胞從PHA-OPM表面向內(nèi)部遷移的過程（圖3）。
圖3. 細胞在PHA-OPM的表面分布及向內(nèi)部遷移的過程
該團隊還進一步證實，PHA-OPM的開放多孔結構可顯著保護大部分細胞免于注射時產(chǎn)生的壓力和摩擦；也直接影響干細胞細胞定向分化和組織修復等結果。進行hMSC異體成骨修復測試，利用PHA-OPM為載體的實驗組效果遠優(yōu)于其他對照組（圖4）。每一個PHA-OPM如同一個小小的諾亞方舟，負載大量的具有功能的干細胞進行組織修復工作。
圖4. 基于PHA-OPM及對照組的異體成骨修復測試
除了先進的開放式多孔結構，PHA-OPM還具有材料的優(yōu)勢。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)學組織工程材料。陳國強團隊一直從事PHA的微生物合成及應用研究，其研究成果已代謝工程、生物塑料、再生醫(yī)學與組織工程、藥物化學、太空醫(yī)學等領域發(fā)表多項成果（見參考文獻）。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，大量釋放將影響細胞的生長，而PHA的主要降解產(chǎn)物3-羥基丁酸（3-hydroxybutyrate，3HB）的酸性遠小于乳酸，具有更小的細胞刺激性，且一定濃度的3HB對細胞活性有促進作用。因此，采用PLA制備的相似結構的開放式多孔微球（PLA-OPM），不論是細胞增殖、體外定向分化還是組織修復都不及PHA-OPM效果顯著（圖5）。
圖5. PHA-OPM與PLA-OPM的細胞增殖及分化實驗對比
以上相關成果分別發(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的博士生魏岱旭和刀金威，魏岱旭還是清華大學-北京大學生命科學聯(lián)合中心（CLS）2014級博士生，通訊作者為清華大學生命科學學院、合成與系統(tǒng)生物學中心主任陳國強教授。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201802273
參考文獻：
陳國強，魏岱旭 主編. “十二五”國家重點圖書 《天然高分子基新材料叢書——微生物聚羥基脂肪酸酯》. 化學工業(yè)出版社. 2014年.
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