近期，我院李斌教授团队与附属第一医院刘滔副教授课题组合作，在《ACS Nano》发表了题为“Targeting Endogenous Reactive Oxygen Species Removal and Regulating Regenerative Microenvironment at Annulus Fibrosus Defects Promote Tissue Repair”的研究论文。李斌教授、韩凤选研究员、刘滔副教授为论文共同通讯作者。
组织、器官损伤后，其病理微环境影响着细胞生长、分化及凋亡，微环境的调控对组织修复和再生起着至关重要的作用。组织损伤后，活性氧自由基（ROS）明显升高，可引起细胞产生氧化应激反应，抑制组织修复。组织修复还需要大量细胞的参与，细胞的增殖和细胞外基质（ECM）的分泌是组织修复的基础。纤维环损伤后会伴随过量的ROS产生，出现不利于组织修复的炎症微环境。同时，损伤部位纤维环细胞（AFC）较少，进一步限制了纤维环的修复与再生。
该研究团队构建了负载氧化铈（CeNP）以及转化生长因子β3（TGF-β3）的介孔二氧化硅纳米粒子（MSN），以GelMA-HAMA复合水凝胶为载体，将其用于受损纤维环的修复。CeNP可以用于清除过量的ROS，并且TGF-β3的缓释可以持续募集自体的AFC。研究结果表明，该复合水凝胶可以实现纤维环的修复与再生（图1）。
图1.复合水凝胶修复纤维环的模式图
研究者成功构建了负载CeNP和TGF-β3的MSN，并将复合纳米粒子置于水凝胶中，复合水凝胶具有明显的多孔隙结构，有利于细胞的增殖与迁移，并且该复合水凝胶还具有良好的力学性能。药物释放实验表明TGF-β3可以从复合水凝胶中缓慢释放（图2）。
图2.纳米粒子及水凝胶的表征
将AFC接种于水凝胶表面，利用H2O2构建氧化应激微环境，结果表明载CeNP的复合水凝胶可以清除胞内的ROS，保护细胞免受过量ROS的损伤。载CeNP的复合水凝胶还能调控巨噬细胞的极化，进一步改善炎症微环境（图3）。体外Transwell实验表明复合水凝胶通过缓释TGF-β3可以有效促进AFC募集（图4）。
图4.复合水凝胶促进AFC募集
利用大鼠尾椎纤维环，构建纤维环局部针刺缺损模型。体内研究结果表明，将复合水凝胶植入大鼠尾椎纤维环损伤部位后，复合水凝胶可以清除损伤部位的ROS，改善微环境，并且该复合水凝胶还可以促进AFC的体内募集，促进ECM分泌，最终实现纤维环的修复与再生（图5）。
图5.复合水凝胶促进纤维环修复
综上所述，研究者通过将接枝CeNP和TGF-β3的MSN负载到GelMA/HAMA水凝胶中，合成了多功能的复合水凝胶。该水凝胶表现出了显著地调节微环境的能力，包括清除ROS、诱导巨噬细胞M2极化以及抑制炎症反应。此外，该水凝胶持续释放TGF-β3，募集AFC并促进ECM分泌。本研究为纤维环修复与再生提供了新的思路与方法。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.3c00093
作者简介：
李斌：新威尼斯v0008特聘教授，新威尼斯v0008院长，骨科研究所副所长，国家杰出青年科学基金获得者，江苏特聘医学专家。在JACS、Angew Chem Int Ed、Adv Funct Mater、Bone Res、Biomaterials等期刊发表学术论文150余篇。主要研究方向为骨科生物材料与再生医学。
韩凤选：新威尼斯v0008研究员。2009年毕业于天津工业大学材料科学与化学工程学院材料科学与工程专业。2014年获得天津大学材料学工学博士学位。主要研究方向为骨科生物医用材料、药物控制释放材料、组织工程，已发表SCI论文30余篇。
刘滔：新威尼斯v0008附属第一医院骨科科主任助理、副教授、硕士生导师、江苏省“333工程”第三层次培养对象。研究方向为脊柱外科和软骨/骨组织工程领域，目前共发表SCI论文50余篇，参编国际专著1部，参与撰写我国首部《骨质疏松性椎体压缩骨折规范化诊治白皮书》。