季策等发表3D打印支架共生微巣促进骨缺损愈合机制的研究成果

目前，骨科再生医学中使用的生物材料主要有天然高分子材料、合成高分子和生物陶瓷三种类型，通过3D打印结构设计、材料组分设计以及作为递送载体等，调控骨组织的修复和重建。该研究，通过RNA-Seq技术，在转录水平解析3D支架材料对于组织再生过程基因表达的影响，通过基因功能分析获得Hydrogel、PCL和β-TCP支架材料的生物学特性，通过生物学功能的改变评估3D打印支架材料提供的共生微巣对细胞功能，以及骨再生过程的特异性调控机制。首先，体外实验评估了Hydrogel、PCL和β-TCP三种支架材料和BMSC、HUVEC、RAW264.7以及Schwann细胞的生物相容性。其次，在临界骨缺损模型中分别植入Hydrogel、PCL和β-TCP支架材料，MicroCT评估新生骨的形成。选择再生组织形成最佳时间点，通过RNA-Seq技术解析材料植入后差异基因的表达，通过对差异基因的富集分析，从生物学功能、细胞组分、分子功能及信号通路等方面进行揭示了支架材料植入后对不同类型细胞的调控作用。最终，结合再生组织的形态学分析和生物学功能富集分析，阐释Hydrogel、PCL和β-TCP支架材料促进骨修复过程的转录组水平改变的异同，解析支架材料植入后与损伤细胞和再生组织所形成的共生微巣（symbiosis niche）对组织再生进程、细胞功能以及信号转导过程的调控作用（图1）。该研究明确了3D打印支架使用过程中由材料本身特性引发不利于组织再生的因素，为充分和加高效利用3D打印支架材料进行骨再生修复提供分子生物学机制的依据。

图1. 3D支架材料在骨缺损部位形成共生微环境对于细胞功能的影响

图2. 三维重建新生骨组织及新生骨组织空间结构分析

图3. 转录水平分析生物材料调节共生微环境的生物学特性

目前，hydrogel、PCL和β-TCP作为再生医学支架材料已得到广泛的研究和评价，在骨与软骨等组织的修复方面具有巨大的潜力。该研究探究了三种材料在植入骨缺损部位后与细胞和周围组织形成的共生微巣，以及对骨愈合过程软骨痂向硬骨痂转变阶段的转录水平，揭示了不同材料的特异性对细胞行为的调节功能。该研究，尝试使用转录组测序技术解码不同3D打印支架材料对于骨再生修复过程关键细胞与分子调控的影响，为后续应用于骨再生的3D打印生物支架材料设计及骨再生过程的特异性调控提供思路。为生物材料支架形成工程化产品和临床治疗提供理论依据。

期刊页码：Advanced Science. 2021; 2105194.

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl6449