《BAM》干細胞納米囊泡嵌入生物粘著水凝膠！

在組織工程支架開發中利用人工軟材料的重大努力顯示出對頜面骨再生的巨大潛力。然而，大多數生物材料無法同時滿足在咀嚼環境中的強韌粘附強度、病理免疫調控和高效細胞特異性靶向治療的多重要求，最終會損害修復過程。本書引入了一種含有間充質干細胞來源納米囊泡（PEG-pp@nMSC@MT）的組織粘附水凝膠，結合炎癥調控和細胞特異性靶向，作為頜面骨修復的一體化工具。依靠 PEG-SG 活性酯基團與 PEG-NH2 聚合物胺基之間的快速酰胺化反應，均勻網絡迅速形成，易于注射、良好的生物相容性和強韌的粘附力，能夠抵抗口腔內頻繁的咀嚼力。基質金屬蛋白酶 2（MMP2）可切割肽的加入使水凝膠能夠響應缺陷位點蛋白酶水平升高，從而按需釋放包裹的納米囊泡，同時抑制過量的 MMP2 活性。值得注意的是，治療性褪黑素高效運輸到預期的 BMMSCs，增強了其成骨和免疫調節功能。綜合而言，MMP2 的減少、BMMSCs 的抗炎因子分泌以及 nMSC@MT 的免疫調節作用協同促進巨噬細胞向 M2 表型的極化，促進骨骼再生。 PEG-pp@nMSC@MT 的治療效果優于用于頜面骨缺損的一線移植材料 Bio-Oss，具有更優越的生物降解性和骨誘導能力。因此，這一創新的水凝膠平臺結合了精準的免疫調節與細胞特異性靶向，成為有效修復頜面骨缺損的有前景治療策略。

該研究以題為“MSC-mimicking nanovesicle embedded bio-adhesive hydrogel for dual immunomodulation and osteogenesis to promote maxillofacial bone regeneration”發表在Bioactive Materials上。

圖1

負載靶向間充質干細胞功能性納米囊泡（PEG-pp@nMSC@MT）、兼具組織黏附與炎癥響應特性的水凝膠用于促進下頜骨再生的原理示意圖。a）活性酯基團對組織蛋白具備高親和性，使該水凝膠可在骨缺損處實現組織黏附，既能避免其在力學載荷與潮濕環境下發生移位，又可實現藥物定點遞送。b）骨缺損部位基質金屬蛋白酶2（MMP2）表達水平升高時，PEG-pp@nMSC@MT水凝膠可按需釋放nMSC@MT；該體系能夠抑制基質金屬蛋白酶活性，構建適宜微環境以維持干細胞生理功能。c）宿主間充質干細胞可特異性胞吞nMSC@MT，精準調控自身增殖、成骨分化及免疫調節能力。以上多重機制協同作用，讓PEG-pp@nMSC@MT水凝膠有效助力頜面骨缺損修復再生。M1：巨噬細胞促炎表型；M2：巨噬細胞抗炎表型。

圖2

納米間充質干細胞載褪黑素制劑（nMSC@MT）承襲原始間充質干細胞特性，且可被骨髓間充質干細胞高效攝取。a）細胞膜經DiI標記、細胞質經Tht標記的微囊泡典型共聚焦成像圖。比例尺：上方25微米，下方1微米。b）制備納米微囊泡載褪黑素制劑（nMSC@MT）的納米微囊泡與褪黑素共擠出流程示意圖。c）納米間充質干細胞載褪黑素制劑的典型透射電鏡圖像。比例尺：100納米。d、e）動態光散射檢測納米微囊泡與納米間充質干細胞載褪黑素制劑的粒徑及Zeta電位（樣本數n=3）。f、g）考馬斯亮藍染色與蛋白免疫印跡結果顯示，微囊泡、納米微囊泡、納米間充質干細胞載褪黑素制劑中均保留干細胞標志物CD146、CD105、CD90以及功能蛋白CXCR4。h）可在骨髓間充質干細胞細胞質內觀察到紅色DiI標記的納米間充質干細胞載褪黑素制劑，證明骨髓間充質干細胞通過胞吞作用攝取該制劑。比例尺：10微米。i）免疫熒光結果顯示，水凝膠釋放出大量紅色DiI標記的納米間充質干細胞載褪黑素制劑，被綠色CD146標記的間充質干細胞攝取。比例尺：50微米。j）采用流式細胞術檢測阻斷抗體（抗CXCR4抗體）存在條件下骨髓間充質干細胞對DiI標記納米間充質干細胞載褪黑素制劑的攝取情況。k）流式細胞術統計骨髓間充質干細胞中DiI陽性細胞占比（樣本數n=3）。l、m）阻斷抗體（抗CXCR4抗體）干預下，骨髓間充質干細胞攝取DiI標記納米微囊泡的免疫熒光染色圖及對應的半定量分析結果（樣本數n=3）。比例尺：50微米。采用單因素方差分析結合圖基檢驗計算P值，*p＜0.05，**p＜0.01，***p＜0.001，n.s.代表差異無統計學意義。

圖3

復合聚脯氨酸或納米囊泡的水凝膠具備優異的生物相容性與理化性能。a）實物照片展示聚乙二醇水凝膠、聚乙二醇負載納米間充質干細胞與褪黑素水凝膠、聚乙二醇-聚脯氨酸負載納米間充質干細胞與褪黑素水凝膠的制備流程及可注射性能，比例尺=0.5厘米。b）形貌表征證實該水凝膠擁有形態適配可塑性、延展性與界面生物黏附性，藍色染料提升宏觀可視效果，比例尺=5毫米。c）不同黏附材料在豬皮上的黏附應力（樣本量n=3）。d）掃描電鏡典型圖像呈現聚乙二醇、聚乙二醇負載納米間充質干細胞與褪黑素、聚乙二醇-聚脯氨酸負載納米間充質干細胞與褪黑素三類水凝膠的內部多孔結構，比例尺=20微米。e）三類水凝膠的壓縮應力-應變曲線。f）三類水凝膠的溶脹性能；g）三類水凝膠的降解性能。h）基質金屬蛋白酶酶切位點示意圖（樣本量n=3）。i）基質金屬蛋白酶2濃度波動環境下，水凝膠中納米間充質干細胞負載褪黑素的雙階段釋放曲線（樣本量n=3）。P值采用單因素方差分析結合圖基檢驗計算，*p＜0.05，**p＜0.01，***p＜0.001，n.s.代表無顯著差異。

圖4

水凝膠植入小鼠下頜骨缺損模型后的體內骨再生效果評估。a）小鼠下頜骨缺損模型示意圖。b）術后4周、8周下頜骨樣本的顯微計算機斷層掃描三維重建圖像，比例尺=1毫米。c）術后8周植入不同水凝膠的小鼠下頜骨缺損區域骨體積分數、骨表面積、骨小梁數量及骨小梁分離度的半定量分析（樣本量n=6）。d）術后8周下頜骨缺損組織切片的蘇木精-伊紅染色與馬松三色染色圖像，比例尺=100微米。e、f）術后4周、8周下頜骨缺損區域Runt相關轉錄因子2、骨鈣素表達水平的免疫熒光染色圖像及對應半定量分析（樣本量n=3），比例尺=50微米。采用單因素方差分析結合圖基檢驗計算P值，?p＜0.05、??p＜0.01、???p＜0.001，n.s.表示無統計學差異。

圖5

PEG-pp@nMSC@MT水凝膠可在體外有效促進骨髓間充質干細胞成骨分化。a）骨髓間充質干細胞與水凝膠共培養示意圖。b）不同支架共培養骨髓間充質干細胞7天后的堿性磷酸酶染色結果，比例尺=500微米。c）堿性磷酸酶染色半定量分析（樣本量n=3）。d）不同支架共培養骨髓間充質干細胞21天后的茜素紅S染色結果，比例尺=500微米。e）茜素紅S染色半定量分析（樣本量n=3）。f）骨髓間充質干細胞在基質金屬蛋白酶環境下經不同水凝膠處理5天、10天后成骨基因（骨形態發生蛋白2、骨鈣素、 Runt相關轉錄因子2）的信使核糖核酸表達水平（樣本量n=3）。g）骨髓間充質干細胞在基質金屬蛋白酶環境下經不同水凝膠處理7天、14天后成骨蛋白（骨形態發生蛋白2、Runt相關轉錄因子2）的蛋白質免疫印跡分析結果。采用單因素方差分析結合圖基檢驗計算P值，?p < 0.05，??p < 0.01，???p < 0.001，n.s.代表無統計學差異。

圖6

PEG-pp@nMSC@MT水凝膠可促使骨缺損區域內巨噬細胞由M1型向M2型極化。a）該水凝膠免疫調節功能的示意圖；b）免疫熒光檢測結果、c）缺損部位培養1周后巨噬細胞極化水平半定量分析（樣本量n=3），比例尺=50微米；d）組織裂解液中細胞因子的信使核糖核酸表達水平（樣本量n=3）；e）組織裂解液中各類細胞因子（白介素-6、腫瘤壞死因子-α、白介素-1β、白介素-10、白介素-4）分泌特征熱圖（樣本量n=3）；f）巨噬細胞中誘導型一氧化氮合酶與甘露糖受體CD206免疫熒光染色的激光共聚焦熒光圖像，g）對應免疫熒光染色半定量分析（樣本量n=3），比例尺=50微米。統計學差異采用單因素方差分析結合圖基檢驗計算，?p＜0.05、??p＜0.01、???p＜0.001，n.s.代表無統計學差異。

總結

頜面骨再生面臨咀嚼環境下的強粘附、免疫調控與靶向治療難以兼顧的問題。作者設計了一種含間充質干細胞納米囊泡的PEG水凝膠，利用快速酰胺化反應實現可注射和強韌粘附。加入MMP2可切割肽，使水凝膠響應缺損部位蛋白酶升高而按需釋放囊泡，同時抑制過量MMP2活性。囊泡內的褪黑素被精準遞送至BMMSCs，增強其成骨與免疫調節功能。三者協同促進巨噬細胞向M2極化，骨修復效果優于一線材料Bio-Oss。

該水凝膠平臺的“響應釋放+靶向調控”策略可拓展至其他炎癥驅動的骨缺損，如類風濕性關節炎或糖尿病相關骨病。未來可替換不同的治療性分子或細胞外囊泡，實現對不同細胞亞型的精確編程。MMP2響應模塊也可改為其他蛋白酶或pH敏感肽，適應不同部位微環境。此外，結合3D打印可實現患者特異性形狀匹配，進一步推動從頜面骨修復向顱骨、牙周組織等領域的臨床轉化。

參考文獻：

DOI: 10.1016/j.bioactmat.2026.02.032