《Bioactive Materials》重磅研究成果发表： 基于【3D微载体】的双功能原位自组装类

题目：

《Bioactive Materials》重磅研究成果发表：

基于【3D微载体】的双功能原位自组装类器官，用于骨软骨再生

作者：北大人民医院杨振 

摘要：以3D TableTrix® 微载体为基础，体外设计个性化明胶微载体，于体内自组装形成骨软骨类器官，用于诱导软骨和骨一体化再生。

前言

近日，由北京大学人民医院骨关节科林剑浩、邢丹教授和清华大学杜亚楠教授共同在Bioactive Materials 【IF：16.874】联合发表研究型文章：双功能原位自组装类器官，用于骨软骨再生。

原文链接：

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X21005859

（可点击文末“阅读原文”查看）

Part 1 研究背景

骨软骨复合体由关节软骨、钙化软骨和软骨下骨组成，具有复杂的软骨-骨界面和不同的组织层特性。在骨软骨损伤中，由于关节软骨和骨的愈合能力和组织整合性能存在差异，同时实现关节软骨和软骨下骨的结构和功能修复仍然是基础研究和临床的难题。

近年来，研究者们相继研发了具有双相、三相、多层和梯度渐变的支架，并在动物模型中取得了一定的成功，但仍然存在一些局限性：

① 双相支架通常无法再生钙化软骨和梯度组织结构；

② 三相和多层支架常常在层之间存在突变，在机械刺激下容易发生层剥离和组织分离。

自组装类器官被用于药物筛选、机制研究，以及探究多种器官系统的发育或组织再生。类器官自组装过程包括一系列细胞分化过程和自我模式化，这些过程受到多种形态发生剂的高度调节，例如通过具有生长因子条件培养基的3D支架（包括转化生长因子-β（TGF-β）、表皮生长因子（EGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）和胃泌素）。

但目前的方法缺乏通过定向分化诱导单个类器官的空间模式和发育方面的能力，一个主要的限制是：单一的支架和特定的培养基不足以培养出具有异质性结构的类器官。

该研究聚焦于骨软骨损伤一体化修复的难题，分别使用透明质酸（HA）和羟基磷灰石（HYP）修饰华龛生物生物科技有限公司（以下简称：华龛生物）研发的3D TableTrix® 微载体（简称CH-微载体和OS-微载体），通过体内自组装形成骨软骨类器官，用于诱导软骨和骨一体化再生。

Part 2 研究发现

本课题组前期研究发现，负载MSC的3D TableTrix® 微载体可在体外自组装，形成功能化3D组织块，增加了MSC的干性和旁分泌活性，同时减少了MSC的衰老。

因此，为了实现骨软骨一体化再生修复，课题组构建了个性化微载体，负载MSC后成软骨和成骨诱导分化7天，注射到比格犬的骨软骨缺损中，实现了骨软骨类器官的原位自组装和组织修复，这表明类器官技术可作为复杂界面组织的一种再生治疗策略。

Part 3 研究设计

图1：整体研究设计示意图

本研究的设计示意图如图1所示，在3D TableTrix® 微载体基础上，使用透明质酸（HA）和羟基磷灰石（HYP）进行改性，制备个性化CH-微载体和OS-微载体。

将MSC接种到微载体上，然后分别在成软骨和成骨诱导培养基中预分化培养7天，在3D模具中可通过自组装形成骨软骨类器官。

将预分化的成骨和软骨微载体依次注射到比格犬滑车沟的骨软骨缺损中，于术后3个月和6个月采集所有膝关节分析再生修复效果。

Part 4 研究内容

① 个性化微载体理化性质和生物相容性良好

从图2可以看出，CH-微载体和OS-微载体呈现疏松多孔的结构，平均直径为217.10±68.35μm和98.16±29.94μm，吸水率分别为14.85倍和 6.82倍。死活染色结果提示所有微载体均具有良好的细胞相容性，值得注意的是CH-微载体可以漂浮在PBS中，而OS-微载体则沉入底部。

图2：个性化微载体的制备和表征

• 个性化微载体制备示意图（A） ，

• 不同微载体的大体观和SEM图像（B），

• 直径分布（C），

• 吸水率（D），

• 圆度分析（E），

• 活/死染色（F），

• 细胞活力的定量分析（G），

• 负载MSC培养14天后的SEM图像（H）。

② 个性化微载体体外自组装形成骨软骨类器官

在本文的体内模型研究中，构建了大鼠胸10节段脊髓全横断损伤模型（图3A）。

结合行为学评估、核磁共振扫描以及组织学分析（图3B-D），经对比不同治疗方法，我们发现负载MSC的明胶微载体支架能够有效地促进大鼠脊髓损伤的再生与修复（组织学分析的图片请参看原文）。

图3：骨软骨类器官体外自组装

• 自组装流程（A），

• 骨软骨类器官大体观（B,C）,

• SEM结果（D），

• 诱导14天后自组装骨软骨类器官的细胞示踪，红色表示CH-微载体中，绿色表示OS-微载体，自组装骨软骨类器官的软骨和骨部分的活/死染色（F），

• CH-微载体和CH-类器官（骨软骨类器官的软骨层）的软骨基因表达（G）和OS-微载体和OS类器官（骨软骨类器官的骨层）的相对成骨基因表达（H），

• 裸大鼠皮下植入后1周CH-微载体和OS微载体的大体观和H&E染色（黄色箭头表示新血管）（I），

• 骨软骨类器官以及CH-类器官和OS-类器官成分的应力-应变曲线（J）和杨氏模量（K）。

Part 5 研究结论

骨软骨类器官对大动物骨软骨损伤模型的治疗

在体内研究模型中，构建了比格犬股骨髁滑车沟骨软骨缺损模型（图4）。治疗3和6个月后，结合影像学、大体观和病理学评价，对比不同治疗方法，发现骨软骨自组装类器官组能够实现更好的软骨和软骨下骨的再生、重建和整合。

图4：自组装骨软骨类器官

修复比格犬滑车沟缺损的实验分组

Part 6 作者简介

第一作者 杨振

北京大学人民医院骨关节科2021级博士研究生，主要从事软骨、半月板损伤修复研究以及干细胞的力学调控机制研究等。

共同第一作者 王斌

副主任医师，研究员，浙江大学博士生导师，临床百人计划研究员，南京大学博士后，北京大学骨科学博士。

通讯作者邢丹

▷北京大学人民医院骨关节科副主任医师、副教授、硕士研究生导师。

▷现任中国医师协会骨科医师分会基础学组委员、中国研究型医院学会冲击波专委会骨与软骨再生学组副主委、《中华关节外科杂志》第四届编委等。

▷长期从事骨科领域基础研究，重点关注干细胞的理化调控机制及类器官构建，先后主持国家自然科学基金2项，北京市自然科学基金2项，局级、校级及院级课题3项。

▷参与编译书籍8部。获国家专利10项。

▷在the BMJ、JAMA network、Bioactive Materials、Osteoarthritis and Cartilage、Biomaterials、The American Journal of Sports Medicine等国际权威期刊发表SCI文章50余篇。

通讯作者 林剑浩

▷北京大学人民医院骨关节科主任，康复医学科主任，博士生导师。

▷任国家大骨节病和氟骨症治疗专家组组长、北京大学前沿交叉学科研究院、北京大学医学部骨科系教授、国际骨关节炎研究协会亚洲工作组主席 (Chair of OARSI Asian Task，2019-2021)、《首都十大疾病科技攻关与管理工作》脊柱和关节病领域领衔专家（2016-2020）、国际骨关节炎研究协会理事（OARSI，2014-2018）。

▷在骨关节炎的细胞治疗、运动治疗、手术治疗及软骨损伤诊疗领域进行了深入研究，在复杂成人关节畸形矫形领域成绩卓越。在基础研究领域，长期从事干细胞功能调控在关节外科的研究，尤其关注于干细胞微组织治疗、干细胞力学及免疫调控、干细胞组织工程及人造细胞研究。

▷曾先后赴澳大利亚新南威尔斯州立大学圣乔治医院骨科研究所、美国康奈尔大学、纽约特种外科医院(HSS)研修。

▷曾获国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技攻关重大专项等基金资助，已培养博士研究生10人，发表SCI论文60余篇、核心期刊论文百余篇。

通讯作者 杜亚楠

▷清华大学医学院教授，博士生导师。

▷国家自然科学基金“杰出青年”项目获得者（2021年）、北京市自然科学基金“杰出青年”获得者（2018年）、教育部青年长江学者奖励计划（2017年）、国家自然科学基金“优秀青年”项目获得者（2015年）。

▷在Nature Materials、Nature Biomedical Engineering、Nature Communications、Science Advances，PNAS等国际权威期刊发表多篇高影响力论文。

▷在“微组织工程”这一特色交叉研究方向进行创新探索，实现理论探究和技术转化。开发的3D微组织技术可作为新一代细胞药物的扩增制备平台和药剂学递送系统革新体外细胞培养和再生医学；同时可辅助建立仿生生理/病理模型，用于高通量药物筛选和病理机制研究。

▷相关微组织工程产品已经商品化，并获得美国FDA和中国药监局相关资质，为再生医学、药物开发和病理研究提供新型平台技术、理论模型和解决方案。

Part 7 研究技术支持

华龛生物核心产品3D TableTrix® 微载体：

①更仿生：由数万颗弹性三维多孔微载体组成，孔隙率>90%，粒径大小可控于50-500μm区间， 均一度≤100μm，形成真正的3D仿生培养。

3D TableTrix® 微载体

②资质全：该产品已获得2项CDE药用辅料资质，登记号为【F20200000496；F20210000003】，1项FDA-DMF药用辅料资质，登记号为【DMF:35481】

药用辅料资质

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③易收获：特异性降解技术裂解微载体，收获相较于传统方式更高效更温和。

3D FloTrix® Digest裂解液

④更安全：拥有权威机构出具的裂解残留检测、细胞毒性、热原反应、遗传毒性、体内免疫毒理学相关质量评价报告以及溶血性、皮下注射局部刺激性、主动全身过敏性、腹腔注射给药毒性等安全性评价报告。

权威检测报告

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⑤易放大：通过3D培养方式，结合华龛生物3D细胞智造平台全线产品可以实现全自动封闭式大规模细胞培养，实现百亿量级细胞收获。

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