陳國強課題組在《Advanced Materials》發(fā)表研究文章：利用天然高分子材料聚羥基脂肪酸酯制備細胞的“諾亞方舟”，輔助干細胞運輸及組織修復(fù)
2018年6月20日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳國強課題組在《先進材料》(Advanced Materials)雜志在線發(fā)表題為《細胞的諾亞方舟：聚羥基脂肪酸酯開放式多孔微球作為一種可用于組織修復(fù)的注射型支架》（A Micro‐Ark for Cells: Highly Open Porous Polyhydroxyalkanoate Microspheres as Injectable Scaffolds for Tissue Regeneration）的研究論文，該工作采用生物材料聚羥基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoate, PHA）和氣-水乳化技術(shù)（gas-in-oil-in-water double emulsion），設(shè)計出一種直徑為300–360 μm的開放式多孔微球（Open porous microsphere, OPM），為再生醫(yī)學(xué)、微創(chuàng)手術(shù)及干細胞治療提供一種新的可注射型細胞載體工具。
PHA-OPM具備了PHA良好的生物相容性、微球的可注射性和組織工程支架的開放式三維空間結(jié)構(gòu)的三重優(yōu)勢，是一種特殊的球狀的三維培養(yǎng)載體。其特殊的開放式多孔結(jié)構(gòu)能在體外培養(yǎng)時促進細胞向內(nèi)生長；在注射運輸過程中起到支撐作用，保護微球內(nèi)部的細胞免于擠壓和摩擦；并能實現(xiàn)動物體內(nèi)釋放細胞和組織修復(fù)的目的。由于PHA-OPM的操作過程和作用與圣經(jīng)中諾亞方舟（躲避災(zāi)害將生命運輸?shù)叫麓箨懀┑淖饔煤芟嗨疲訮HA-OPM也被形象地稱為細胞的諾亞方舟（Micro-Noah's Ark for cells）。
組織工程支架（Tissue engineering scaffolds）在組織醫(yī)學(xué)和干細胞治療中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。采用傳統(tǒng)手術(shù)進行的支架移植常伴隨著大型開放式手術(shù)和術(shù)后感染等問題，直接影響患者生活。微創(chuàng)手術(shù)具有減少患者痛苦，操作方便，提高臨床安全性等優(yōu)勢，近年來迅速發(fā)展。以聚合物水凝膠和微球為代表的可注射生物材料是目前最佳的微創(chuàng)手術(shù)使用的細胞載體，但也存在不足之處。
該工作通過接種人來源的骨髓間充質(zhì)干細胞（hMSC），證實PHA-OPM 的細胞接種率遠高于傳統(tǒng)微球（PHA-HM），且能持續(xù)生長。通過該課題組自創(chuàng)的魏氏冷凍有序切割法（WEI Frozen Orderly Section）和三維重塑技術(shù)，可清晰地觀察細胞從PHA-OPM表面向內(nèi)部遷移的過程。該工作還進一步證實，PHA-OPM的開放多孔結(jié)構(gòu)可顯著保護大部分細胞免于注射時產(chǎn)生的壓力和摩擦；也直接影響干細胞細胞定向分化和組織修復(fù)等結(jié)果。進行hMSC異體成骨修復(fù)測試，利用PHA-OPM為載體的實驗組效果遠優(yōu)于其他對照組。
除了先進的開放式多孔結(jié)構(gòu)，PHA-OPM還具有材料的優(yōu)勢。陳國強課題組一直從事PHA的微生物合成及應(yīng)用研究，其研究成果已代謝工程、生物塑料、再生醫(yī)學(xué)與組織工程、藥物化學(xué)等領(lǐng)域發(fā)表多項成果。大量研究表明，PHA的生物相容性優(yōu)于PLA為代表的其他聚酯材料。主要原因在于，PLA的主要降解產(chǎn)物乳酸為酸性的小分子物質(zhì)，大量釋放將影響細胞的生長，而PHA的主要降解產(chǎn)物3-羥基丁酸（3-hydroxybutyrate，3HB）的酸性遠小于乳酸，具有更小的細胞刺激性，且一定濃度的3HB對細胞活性存在促進作用。因此，受乳酸快速釋放的影響，采用PLA制備的開放式多孔微球（PLA-OPM），不論是細胞增殖、體外定向分化還是組織修復(fù)都不如PHA-OPM的效果顯著。
清華大學(xué)生命學(xué)院陳國強教授為本工作的通訊作者。清華大學(xué)CLS博士生魏岱旭和生命學(xué)院博士生刀金威為本文共同第一作者。本課題得到了國家自然科學(xué)基金、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心等資助，并得到清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)測試中心、清華大學(xué)實驗動物中心和清華大學(xué)蛋白質(zhì)設(shè)施實驗技術(shù)中心的大力支持。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201802273
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