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软骨损伤的修复是再生医学界面临的一项重大挑战。软骨细胞增殖能力较弱，软骨组织基本没有血管和淋巴的分布，因此，软骨在损伤后难以实现对创面的自身修复。 近日，四川大学张兴栋院士团队肖芸副研究员发现了胶原水凝胶“黏弹性”调控干细胞成软骨分化的作用及机制，为将其用于干细胞研究，以及软骨的再生修复提供了理论基础。目前，这项研究已经以“Collagen hydrogel viscoelasticity regulates MSC chondrogenesis in a ROCK-dependent manner”为题发表在 Science Advances 上。 （来源：Science Advances） “软骨组织再生能力差，软骨缺损修复长期以来都是临床难题。我们的这项研究进一步揭示了胶原基水凝胶诱导干细胞软骨分化的机制，为今后设计用于组织工程和再生医学的新型生物材料提供了重要参考。”四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心肖芸告诉生辉。 肖芸本科就读于四川大学材料科学与工程学院生物医学工程专业，期间曾作为交换生赴美国华盛顿大学生物工程学院学习。毕业后，她进入加拿大多伦多大学化学工程与应用化学学院攻读博士学位。她回国后进入四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心张兴栋院士课题组，开展生物材料研究工作。现阶段，她的研究方向主要围绕细胞和生物材料的相互作用，通过探索深层机制来辅助生物材料的功能化设计。  ▲图丨四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心副研究员肖芸（来源：受访者） 揭示“黏弹性”是调控干细胞向成软骨细胞分化的关键“我们开展的这项研究是基于张兴栋院士团队早期的一个突破性发现，依靠 Ⅰ 型胶原基凝胶这种天然生物材料可以实现对软骨缺损的再生修复。”肖芸说道。 据介绍，张兴栋团队发现 Ⅰ 型胶原基凝胶可以诱导干细胞向成软骨细胞系分化，实现对关节软骨的再生与修复。他们还利用这种生物材料包裹间充质干细胞成功完成了 70 余例关节软骨缺损的临床研究，取得了较好的疗效。 “然而，这种胶原基凝胶诱导干细胞软骨分化的机制目前还不明确，我们着手从材料力学性能的角度开展了这项研究，更加深入地探索这种生物材料促进软骨再生的关键材料学因素以及内在机理。”肖芸说道。  ▲图丨胶原水凝胶“黏弹性”调控细胞形态和肌动蛋白组织（来源：Science Advances） 在这项研究中，肖芸和团队重点关注的是胶原水凝胶“黏弹性”的性质。“胶原水凝胶是用于细胞或组织培养较为常见的一个基质材料，近些年它的黏弹性开始得到生物材料领域研究者的关注。而我们也开始留意，通过调控胶原水凝胶的黏弹性观察对干细胞分化带来的影响。”她说道。 “胶原水凝胶的'黏弹性’，不同于'弹性’这种静态的力学性能，而是一种具有时间尺度的动态力学性能。”她指出。 借助体外细胞试验，肖芸和团队通过控制胶原纤维自组装过程调节胶原水凝胶黏弹性，发现胶原水凝胶黏弹性的动态力学性能是细胞-基质相互作用建立和稳定的关键，其通过 ROCK 信号通路调节间充质干细胞存活和成软骨分化，对间充质干细胞前期启动成软骨分化和后期软骨组织形成具有时序性调节作用。  ▲图丨调控机制示意（来源：Science Advances） “本研究中调控黏弹性的方式是我们在前期研究中所忽略掉的一个细微步骤。”肖芸指出。通常而言，胶原水凝胶制备过程需要进行冰上低温孵育，然而低温孵育的时间往往被忽略，他们研究发现胶原水凝胶的低温孵育时间长短对其黏弹性有着非常直观的影响。“所以，这也是我们这项研究的启示之一，提示我们今后在材料设计制备时需要留意细节，一些经常被忽略掉实验细节中可能存在意想不到的生物学效应。”她补充说。 谈及开展这项研究过程中遇到的挑战，肖芸表示，最初的实验假设是黏弹性对成软骨分化存在比较直观的影响。“通常我们通过材料应力松弛行为的'快’和'慢’来描述它的黏弹性，要么'快’的更好、要么'慢’的更好，我们起初抱着这样的试验预期开展研究工作，然而随着研究的深入，我们发现'快’和'慢’会在不同的阶段对细胞行为带来不同的影响。”她说道，“比如在前期'慢’的对成软骨更好，但是在成软骨分化的后期，'快’的反而更好，这个过程中出现了一个'逆转’行为，进而让机理研究变得更为复杂。”她补充说。 关于下一步的研究动向，“目前这项研究是在体外细胞培养中发现、挖掘和总结的一个机制，下一步我们计划在动物体内对这一机制进行验证或进行更深入地探索，使其能够更好地为这种材料的临床应用提供理论指导。毕竟，生物材料研发都是以临床应用为导向的，最终要落地到临床。”她总结道。 以临床应用为导向，开发新型生物材料克服医学挑战干细胞素有“万能细胞”之称，其具有再生组织结构的特性，是再生医学的核心。根据来源不同干细胞可划分为多种类型，如胚胎干细胞、成体干细胞，以及诱导多能干细胞等。其中，成体干细胞在临床治疗方面应用潜力较大，包括造血干细胞和多种间充质干细胞。比如，造血干细胞在上世纪六十年代便开始用于心血管系统疾病的临床治疗。 围绕干细胞在临床治疗方面的应用，在肖芸看来，“这需要根据不同临床应用场景'因地制宜’。比如，我的研究领域主要围绕骨骼肌肉系统再生，针对骨骼肌肉系统相关疾病的临床治疗，间充质干细胞更具优势和潜力，这和胚胎发育过程中骨骼肌肉组织的来源是一致的。”  （来源：Pixabay） 但就现阶段而言，干细胞在临床应用还存在一些不足，肖芸介绍了两点。 其一，干细胞获取手段有待进一步优化。以间充质干细胞为例，贴壁筛选法是目前常用的一种提取方法。“这种提取方法最终获得的是一个混合的细胞群体，并不是单纯、均一的细胞群体。这也就意味着提取到干细胞存在异质性，而这会导致其生物学表现有所差异，进而会对后续的研究或应用带来挑战。”她解释说。 其二，为干细胞提供保护。“临床应用的间充质干细胞最好是自体来源，然而临床患者多为老年群体，相较于年轻患者，老年患者的间充质干细胞的再生能力大幅下降，为临床治疗带来挑战。”她指出。 据介绍，肖芸和团队先前曾开展心肌补片的研究，围绕针对老年患者的间充质干细胞临床应用难题，“我们设计了一种新型生物材料为间充质干细胞提供一个更好的环境，使其能够更好的发挥作用。”她说，“因此，对于干细胞在临床治疗中所面临的一些挑战，我们可以通过开发新型生物材料的策略进行补救和解决。”她补充说。 肖芸长期从事以临床应用为导向的生物材料功能化设计的研究工作，聚焦临床应用，她还介绍了先前所取得的一些成果发现。 比如，针对糖尿病足溃疡，这是一种目前依然难以治疗的皮肤创面。“我们曾开发出一种可以促进患者足部表皮细胞迁移的生物材料（敷料），进而促进糖尿病足溃疡创面的愈合。”她介绍说。 再比如，现阶段干细胞治疗大都采用微创注射式，然而注射过程中存在的剪切应力会对干细胞造成损伤。“我们曾设计了一种可注射的、具有自修复性的纳米复合水凝胶，能够包裹间充质干细胞并起到保护作用，使其不受剪切应力的刺激与破坏，大幅提高了干细胞注射后的存活率和再生功能。”她表示。 产业化层面，“我所在的张兴栋院士课题组是国内最早从事生物材料研发的团队之一，围绕骨骼肌肉系统修复材料开展了大量研究，已有多款产品推向临床应用。”肖芸介绍说，“具体到此次研究的这种用于软骨缺损修复的 Ⅰ 型胶原基水凝胶材料，目前已进入临床试验阶段，并已通过进入国家药监局创新通道申报产品注册证，同时我们也期待来自投资方的注资加速研发试验进程，以期尽快实现临床应用造福患者。”她总结道。 |
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