TUhjnbcbe - 2022/4/12 14:41:00
近几十年来，由于外伤、肿瘤、感染和其他原因导致的骨缺损案例急剧增加。目前，骨骼是仅次于血液的第二大最常见的移植组织。因此，骨组织工程的研究和临床应用越来越多。近年来，已经开发出新的策略来促进骨组织工程中的血管化。然而，迄今为止，神经系统在骨组织工程中的作用在很大程度上被忽视了，因为早期神经支配对于骨化中心的正常形成至关重要，因此骨再生的延迟或失效仍然是目前经常出现问题。为此，来自上海交通大学的ZhenjiangMa、TaoLi和王金武教授团队提出了一种模拟骨化中心的微环境来促进神经重建的骨组织结构。在此基础上，通过生物打印技术制备了NGFLap载体，该载体能长期释放神经生长因子(NGF)，因此能模拟高表达NGF的骨化中心微环境。在体外，NGFLap-GA可促进轴突延长。同时，NGF和Laponite分别能促进感觉神经元中CGRP的表达和分泌。此外，这些生物打印的结构显示出依赖于CGRP的成骨和抑制脂肪生成的特点，其主要受AMP激活的蛋白激酶-过氧化物酶体增殖物激活受体途径的调节。在体内，打印结构增加了植入物周围组织中的神经血管网络密度，促进了骨髓间充质干细胞的成骨分化，并有效地改善了颅骨缺损模型中的骨再生。综上所述，该新型组织工程骨模拟了骨化中心微环境，促进了神经生产，在骨再生领域具有广阔的应用前景。相关工作以题为“BioprintedConstructsthatMimictheOssificationCenterMicroenvironmentforTargetedInnervationinBoneRegeneration”的研究性文章在《AdvancedFunctionalMaterials》上发表。利用生物打印技术制备骨骼的原理在这项研究中，本文的目标是开发一种模拟骨化中心微环境的生物打印结构，以更好地再现骨发育的过程，从而并改善神经功能，最终促进骨再生。具体地说，将负载NGF和BMSCs的磷灰石添加到甲基丙烯酸明胶(GelMA)和海藻酸钠甲基丙烯酸酯(AlgMA)杂化水凝胶中作为生物墨水，并利用生物打印技术制备了相关结构(图1A)。生物打印的结构模拟了骨化中心的微环境，促进了神经的侵袭作用。更重要的是，它们可以调节神经系统功能和血管化和骨化，也就是重现骨骼发育过程，从而形成功能性骨组织(图1B)。图1.生物打印结构的制备和交联过程。NGF诱导的感觉神经支配与骨化中心的发育密切相关为研究感觉神经支配与骨发育的关系，本文采用免疫荧光染色法检测成骨标志物RUNX2和感觉神经标志物CGRP在E13.5胚胎中的共定位情况。如图2A所示，骨化中心的许多CGRP神经表明感觉神经在骨化中心的发育中起着关键作用。此外，本文还研究了感觉神经在骨化中心的侵袭机制。神经生长因子(NGF)是一种神经生长因子，它决定组织的神经支配。本文研究了NGF和RUNX2在E13.5胚胎骨化中心的共定位情况。如图2B所示，与神经营养假说一致，NGF在骨化中心高度表达。因此，NGF在骨化中心诱导的感觉神经在骨骼发育中起着至关重要的作用。图2.大鼠胚胎标本显示CGRP神经位于成骨中心生物墨水的设计、制备和表征为了改善生物墨水的打印性能，本文在生物墨水中添加了不同浓度的二维纳米硅酸盐磷灰石。然后测试了材料的流变性能，以评价生物墨水的印刷性能。如图3A所示，磷灰石以浓度依赖的方式增强了生物墨水的剪切稀化行为。高剪切力下的低粘度保证了生物油墨的顺利挤出，而足够高的粘度保证了其印刷后的成型性。4%的Lap-GA生物油墨的储存模量(G’)大于其损耗模量(G”)，从而表现出典型的弹性固体特性，因此不适合挤压生物印刷。相比之下，2%的Lap-GA生物墨水的G’和G”在室温下几乎相同，这证明2%的Lap-GA生物墨水在室温下具有良好的印刷性能(图3B)。图3.生物油墨的应力-应变曲线和油墨的分布图4.不同培养条件下的DRG细胞的图像。图5.生物打印构建体与SNS的共培养后的基因表达水平。CGRP诱导成骨分化的机制体内/外实验表明，NGFLap-GA可促进SNS分泌CGRP，从而促进成骨分化作用。然而，CGRP促进骨髓间充质干细胞成骨分化的分子机制尚不清楚。因此，本文研究了CGRP对骨髓间充质干细胞成骨和成脂分化的影响。碱性磷酸酶(ALP)染色显示，经CGRP处理7d的BMSCs明显能够促进成骨分化，并且抑制成脂分化(图6A，B)。实时PCR基因分析显示，CGRP能够显著上调成骨标志物基因(RUNX2、OPN、ALP)的表达(图6C-E)，并且抑制成脂标志物基因(CEBP/α、Fabp4、过氧化物酶体增殖物激活受体)的表达(图6F-H)。综上所述，这些发现表明CGRP能够调节成骨和成脂分化之间的转换。图6.生物打印结构促进骨再生的分子机制示意图。小结：为了改善由神经支配的骨再生技术的工程应用，本文开发了一种新型的NGFLap-GA生物打印结构，它模拟了骨发育过程中骨化中心的微环境。通过提供合适的微环境，NGFLap-GA结构有力地促进了BMSCs的分化和神经网络的形成。神经和骨之间更好的相互作用反过来又会导致更好的骨再生作用。本研究突出了神经系统在骨再生中的作用，为利用组织工程干预骨内神经系统从而促进骨再生提供了新的策略。对于伴有神经系统功能障碍的骨缺损，如糖尿病神经病变，本研究提供的方案可能是改善骨修复的重要手段。全文链接：