*仅供医学专业人士阅读参考
点击右上方“关注”， 准时接收每日精彩内容推送。
骨组织工程的构建主要有三个基本组成部分:支架、种子细胞和生长因子。其中，种子细胞的植入面临着重大挑战，包括免疫排斥、畸胎瘤形成和无定向细胞分化。
针对此问题，研究人员开始制备无细胞支架以解决种子细胞问题。为了实现无细胞组织再生，无细胞支架应含有有效的成骨诱导因子，但因子的含量、种类也会带来一些副作用：如异位骨形成、炎症、骨吸收、血肿。
近来研究发现， 外泌体是一种非常有前途的再生医学成骨诱导因子，它们是天然分泌的囊泡，脂质双分子层包裹蛋白质、脂质、遗传信息和代谢物，促进细胞间通信 。 此外，外泌体在骨缺损修复中的作用是多方面的，包括成骨、血管生成和炎症调节（图1）。外泌体的研究逐渐增加且被称之为细胞治疗的下一个前沿领域。客观上，外泌体并不是细胞而是细胞器，但它在细胞的交流等方面发挥着重要作用。
图1 外泌体与骨再生（Mater Today Bio. 2022;16:100355.）
另一方面，外泌体在作用部位的生物可利用性较差，并且缺乏调节的释放机制。将其与生物支架复合可以很好的解决这些问题。 水凝胶的多孔性、可塑性和生物相容性可以很好的与外泌体“相辅相成”，通过对水凝胶支架进行合理的工程设计和功能化既可以提高外泌体负载支架的生物利用度、生物相容性和负载/释放控制，又能够实现无细胞支架增强骨修复效果。
综合以上内容，本期EFL立足于水凝胶支架与外泌体的联合骨修复应用，精选了10篇相关文献，让我们一起来看看水凝胶在外泌体成骨路上如何“保驾护航”！
文献1：Bioact Mater. （IF 18.9）2022—水凝胶结合施旺细胞衍生的外泌体促骨修复
主要内容： 本研究报道了神经组织工程水凝胶包封的施旺细胞衍生的外泌体（SC-Exo）。这种缓释SC-Exo系统通过促进体内神经支配、免疫调节、血管形成和成骨，显著增强了骨再生。体外结果证实该系统显著诱导巨噬细胞的M2极化、HUVECs的管形成和BMSCs的成骨分化。此外，通过上调TGF-β1/Smad2/3信号通路促进BMSCs成骨。总之，该研究SC-Exo为中心，通过协调整个骨愈合微环境来促进骨再生，为组织工程和骨缺损的临床治疗提供了新的策略。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.10.018
文献2：Journal of Nanobiotechnology.(IF10.2) 2023—富含BMP2 mRNA外泌体的水凝胶增强骨再生
主要内容： 生物活性BMP2（骨形态发生蛋白-2）的持续释放对骨再生具有重要意义，而BMP2在蛋白水平上固有的短半衰期不能满足临床需要。在这项研究中，旨在设计富含BMP2 mRNA的工程外泌体，然后将其装载到特定的水凝胶中实现持续释放，更有效和安全的促进骨再生。通过将NoBody（一种抑制mRNA翻译的蛋白质）修饰的工程BMP2质粒转染到供体细胞，从而使供体细胞中的BMP2 mRNA选择性抑制翻译而富集到外泌体中，此衍生的外泌体被命名为ExoBMP2+NoBody 。体外实验证实，ExoBMP2+NoBody的BMP2 mRNA丰度较高，因此成骨诱导能力更强。当通过烯丙基-L-甘氨酸修饰的CP05接头加载到GelMA水凝胶中时，外泌体可以缓慢释放，从而确保BMP2在受体细胞内吞作用时的长期作用。在体内颅骨缺陷模型中，GelMA负载的ExoBMP2+NoBody在促进骨再生方面显示出强大的能力。
原文链接：
https://doi.org/10.1186/s12951-023-01871-w
文献3：Bioact Mater. (IF18.9)2022—多功能水凝胶通过持续释放基质细胞衍生因子-1α和外泌体增强骨再生
主要内容： 本研究中，作者将基质细胞衍生因子-1α（SDF-1α）和M2巨噬细胞衍生外泌体（M2D-Exos）与透明质酸（HA）水凝胶前体溶液相结合，制备了一种可注射的、自修复的粘合剂HA@SDF-1α/M2D-Exos水凝胶。水凝胶表现出良好的生物相容性、止血能力和抗菌能力。从水凝胶中释放的SDF和M2D-Exos增强人骨髓间充质干细胞（HMSCs）和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的增殖和迁移，促进体内外成骨和血管生成。总的来说，所开发的HA@SDF-1α/M2D-Exos水凝胶与骨折的自然愈合过程兼容，并通过偶联成骨、血管生成和抗感染为加速骨修复提供了一种新的模式。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.07.030
文献4：Advanced Science.(IF15.1) 2023—微环境特异性仿生和外源性增强水凝胶支架的3D打印用于软骨和软骨下骨的有效再生
主要内容： 本文描述了一种新型的3D打印仿生双网络水凝胶支架，利用组织特异性脱细胞细胞外基质（dECM）和人脂肪间充质干细胞（MSC）衍生的外泌体制备。基于生物活性外泌体的持续释放，仿生水凝胶支架在体外促进大鼠骨髓MSC的附着、扩散、迁移、增殖以及软骨和成骨分化。水凝胶支架异质双层支架有效加速大鼠临床前模型中软骨和软骨下骨组织的同时再生。该研究表明用生物活性外泌体包裹的基于3D-dECM的微环境特异性仿生可以作为干细胞治疗的新的无细胞配方。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202303650
文献5：Bioact Mater. (IF18.9)2021—装载软骨终板干细胞的可注射软骨基质水凝胶释放外泌体用于椎间盘退变的非侵入性治疗
主要内容： 由椎间盘退变（IVDD）引起的腰痛是一种常见的健康问题，开发用于IVDD治疗的新型非侵入性手术方法至关重要。本文描述了一种抑制IVDD的治疗策略，通过注射含有软骨终板干细胞(CESCs)的肋软骨细胞外基质修饰的水凝胶(ECM-Gel)来抑制IVDD的治疗策略。在加载过表达Sphk2的CESCs (Lenti-Sphk2-CESCs)并在体内大鼠的软骨终板(CEP)附近注射后，ECM-Gels产生了Sphk2工程化的外泌体(Lenti-Sphk2-Exos)。这些外泌体穿透纤维环(AF)并将Sphk2转运到髓核细胞(NPC)中。Sphk2激活了磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/p-AKT通路以及NPC的细胞内自噬，最终改善了IVDD。本研究为IVDD治疗提供了一种新颖有效的非侵入性组合策略，使用可注射的ECM-Gels加载CESCs，表达Sphk2并持续释放功能性外泌体。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.12.007
文献6：Chemical Engineering Journal ( IF 15.1 ) 2023 —负载骨靶向 miR-26a的外泌体模拟物通过激活 Wnt 信号通路进行骨再生治疗
主要内容： 间充质干细胞衍生外泌体（MSC-Exos）在骨再生和年龄相关疾病的治疗领域显示出巨大的潜力。工程化外泌体可以整合多种功能成分，以实现最佳的靶向治疗效果。本研究通过结合外泌体模拟物（EMs）的大规模生成、骨靶向修饰和 miR-26a 负载，构建了一种促进骨再生且具有良好的生物相容性的无细胞递送系统。EMs 通过间充质干细胞的顺序挤出制备，与传统外泌体分泌相比，产量达到了15倍。在小鼠模型中全身注射Asp-EM / miR-26a加速骨缺损愈合并预防骨质疏松症。潜在的机制涉及miR-26a靶向糖原合酶激酶-3β（GSK-3β）诱导β-连环蛋白积累，从而激活Wnt信号通路并促进骨再生。本研究为修饰 EMs 以增强骨再生提供了一种可行且有效的策略。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144594
文献7：ACS Nano (IF 17.1)—2022外泌体/药物递送多功能水凝胶加速骨折修复
主要内容： 成骨细胞/破骨细胞和M1/M2巨噬细胞比例在骨折延迟愈合中起着关键作用。强健的成骨细胞分化和M2巨噬细胞极化可实质性促进骨折修复。在本研究中，通过构建一种鸡尾酒疗法，以同时调节成骨细胞/破骨细胞和M1/M2巨噬细胞的平衡。鸡尾酒疗法由基于天然聚合物透明质酸的水凝胶（HA水凝胶，具有组织粘附性、可注射性、自修复性和抗炎特性）、工程内皮细胞衍生的外泌体（EC ExosmiR26a5p）和IRE-1α*制剂抑**APY29组成，可以实现EC-ExosmiR-26a-5p和APY29分别用于成骨细胞/破骨细胞和巨噬细胞调节的特异性递送。结果表明，鸡尾酒疗法发挥了促骨折修复作用，提供了对协同策略的深入了解并有助于开发更合适的骨折前修复疗法。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c08284
文献8：Journal of Nanobiotechnology. (10.2)2023—外泌体/药物递送的多功能水凝胶加速骨折修复
主要内容： 本研究旨在通过多种策略克服Exo在药物递送方面的局限性,开发了一种新型水凝胶（GelMA）来包封软骨肽修饰的工程化Exo用于OA治疗，并通过体内和体外实验研究了装载有小型抑制 LRRK2-IN-1的工程化Exo(W-Exo-L@GelMA) 的性能。W-Exo-L@GelMA既显示出对软骨细胞的有效靶向作用，又在体外抑制分解代谢和促进合成代谢方面具有显著作用。此外，W-Exo-L@GelMA还显著抑制OA相关炎症和免疫基因表达，挽救IL-1β诱导的转录组反应。通过增强在关节中的保持力，W-Exo-L@GelMA在OA小鼠模型中显示出优异的抗OA活性和软骨修复能力。在培养的人OA软骨中验证了该治疗效果。总之，通过水凝胶包封的靶向肽修饰的工程Exo在OA治疗中表现出显著的潜力，这一系列策略使工程化Exo增强了靶向能力和滞留能力，软骨靶向和Exo介导的药物递送可能是OA治疗的一种新策略。
原文链接：
https://doi.org/10.1186/s12951-023-02050-7
文献9：Bioact Mater.(IF18.9) 2021—外泌体PD-L1作为免疫*制剂抑**诱导成骨分化并促进骨折愈合
主要内容： 在本研究通过从基因工程的人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的外泌体（Exos）中获得了富集浓度的PD-L1，并证明过表达PD-L1的外泌体特异性结合T细胞表面的PD-1，抑制T细胞的活化。当与T细胞预培养时，外泌体PD-L1诱导间充质干细胞（MSC）向成骨分化。将Exos包埋在可注射水凝胶中允许Exos以时间释放的方式递送到周围的微环境中。包埋在水凝胶中的外泌体PD-L1在早期过度活跃的炎症阶段显著促进小鼠模型中的愈伤组织形成和骨折愈合。本研究首次提供了使用富含PD-L1的Exos进行骨折修复的例子，并强调了Hydrogel@Exos通过免疫抑制作用进行骨折治疗的系统。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.10.042
文献10：Advanced Healthcare Materials.(IF10.0) 2023—含明胶甲基丙烯酰水凝胶的间充质干细胞衍生纳米囊泡治疗通过调节软骨生成和巨噬细胞极化减轻骨关节炎
主要内容： 本研究开发了一种有前景的策略来制备具有增强的再生和抗炎能力的高产量模仿MSC衍生的纳米囊泡（MSC NVs）的外泌体。MSC NVs是使用挤压方法制备的，并且发现除了诱导M2巨噬细胞极化之外，还可以增加软骨细胞和人骨髓MSC的分化、增殖和迁移。此外，制备了负载有MSC NVs的明胶-甲基丙烯酰基（GelMA）水凝胶（GelMA-NVs），其表现出MSC-NVs的持续释放，并且显示出具有优异机械性能的生物相容性。在通过内侧半月板手术失稳（DMM）构建的小鼠骨关节炎模型中，GelMA NVs有效改善骨关节炎的严重程度，减少分解代谢因子的分泌，并增强基质合成。此外，GelMA NVs在体内诱导M2巨噬细胞极化和炎症反应抑制。研究结果表明，GelMA NVs有望通过调节软骨生成和巨噬细胞极化来治疗骨关节炎。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adhm.202300315
Tips:
外泌体依靠其囊泡中所含的蛋白质、脂质和RNA来调节成骨细胞的增殖和活性，同时促进血管生成、成骨分化和细胞基质矿化，以增强骨组织再生。将外泌体附着在骨组织工程材料上不仅为外泌体功能提供了有利的环境，而且弥补了骨组织工程物质的缺点，如血管生成缓慢和细胞间通讯障碍。 然而，外泌体本身在注射到体内时存在半衰期短和新陈代谢快的问题，因此支架必须“附着”和“保留”外泌体。
目前，外泌体的功能机制尚不清楚，通用生产实践标准尚未建立，外泌体分离仍缺乏稳定的表征，其分离纯化技术也有待改进。这些问题的存在表明了外泌体研究还有很长的路要走。但近年来对外泌体的研究一直在增加，尤其是外泌体与组织工程的结合，为难以修复的骨损伤提供了新的方向。
在未来，我们希望看到外泌体的生产效率和质量得到提高，并希望其功能机制能够逐步揭示。基于功能特性，匹配的支架可以以最合适的速率稳定释放外泌体，外泌体可以最大限度地发挥其功能。
了解更多
关注“EngineeringForLife”，了解更多前沿科研资讯~
