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以干细胞为基础的组织工程为骨缺损修复提供了一个有希望的平台。然而，外源性骨髓间充质干细胞的使用仍然面临着来源有限和潜在风险等诸多挑战。因此，通过募集内源性BMSCs并捕获它们用于原位骨再生是一种有效的修复策略。
近日，来自 中国科学院深圳先进技术研究院的严飞团队联合南方医科大学第二临床医学院的刘红梅教授 共同设计了一种声学响应支架(ARS)，不仅可以控制生物活性分子的释放以募集内源性BMSCs，还可以通过共振梯度场诱导的捕获力促进募集的BMSCs捕获到支架上（图1） 。脉冲超声（p-US）辐射用于破坏藻酸盐水凝胶，以加速其降解并释放封装的SDF-1/BMP-2细胞因子，向骨缺损部位募集远处宿主内源性BMSCs。相关研究成果以“Remote control of the recruitment and capture of endogenous stem cells by ultrasound for in situ repair of bone defects”为题于2022年9月7日发表在《Bioact. Mater.》上。
图1 超声控制内源性干细胞的募集和捕获用于骨缺损修复的示意图
1. ARS（声学响应支架）和BSC（仿生支架复合物）的制备与表征
作者用聚乳酸(PLA)设计并制备了直径为4.2 mm的具有网状结构的盘状声响应支架(ARS)，将ARS进一步包埋在海藻酸盐制成的载药水凝胶中通过与钙离子交联作用形成水凝胶（图2）。在接受US刺激时，藻酸盐水凝胶中的钙依赖*交性**联会被破坏，从而大大加速了水凝胶中包封的药物的释放。经过一系列的优化实验，作者将实验参数设置为：海藻酸盐= 70 mg/ml，用于水凝胶形成的钙= 4 mg/ml，声压强度= 0.3 MPa，用于p-US照射的持续时间= 20分钟。
图2 BSC中声学控制的趋化因子释放
2. BSC的成骨分化和细胞迁移能力
之后作者评估了干细胞对p-US刺激释放的SDF-1和BMP-2的细胞迁移反应，在上述最佳参数下对BSC进行2分钟的p-US辐射，以促进趋化因子从BSC中释放(图3)。很明显，与未接受超声刺激的相比，12小时后有更多的骨髓间充质干细胞向底部迁移。
图3 支架的成骨分化和细胞迁移能力
3. 正弦连续波超声(s-US)体外捕获骨髓间充质干细胞及诱导成骨分化
每天一次s-US照射连续7天后，显著更多的BMSCs可以在ARS表面粘附生长，比未接受s-US照射的ARS高5.94倍，并且s-US刺激的ARS上的BMSCs比未接受s-US刺激的ARS上的BMS cs表现出更好的铺展能力和横向扩增。 此外，作者还探究了最佳的实验参数，s-US参数确定为频率= 1.5 MHz，持续时间为20分钟 。
图4 ARS结合s-US捕获骨髓间充质干细胞
4. 体内US触发的BSC药物释放用于干细胞募集
接下来，作者进一步研究了药物从BSC中释放的能力在活生物体内环境。为了便于观察，将ICG作为模型药物负载于BSC的海藻酸盐水凝胶中，皮下移植于大鼠体内。载有ICG的BSC接受或不接受每天20分钟的p-US照射，然后通过体内成像系统(IVIS光谱)评价药物的扩散。在p-US照射的条件下，藻酸盐水凝胶在大鼠中的降解速率显著加快，12天后在BSC移植部位没有任何荧光信号存在。相比之下，12天后，那些未受照射的大鼠的BSC移植部位仍保留有荧光信号。
图5 用于募集和捕获宿主干细胞的体内药物释放
5. 骨缺损的修复效果
为进一步探讨BSC联合p-US和s-US照射对骨缺损的修复效果，建立股骨缺损大鼠模型，并设置了6种不同的治疗 ，包括(ⅰ)对照，不植入支架和任何超声照射，(ⅱ) ARS + p-US + s-US:缺损植入不含趋化因子的ARS并接受p-US和s-US照射， (ⅲ) BSC:缺损处植入含SDF-1和BMP-2趋化因子的BSC，但不接受超声照射，(ⅳ) BSC + p-US:缺损处植入含SDF-1和BMP-2趋化因子的BSC，仅接受p-US照射，(ⅴ) BSC + s-US:缺损处植入含SDF-1和BMP-2趋化因子的BSC，仅接受s-US照射，(ⅵ) BSC + p-US + s-US。
图6 BSC对大鼠体内骨缺损的修复性能
结合μCT和组织染色数据表明，用BSC或/和单一超声刺激处理的大鼠在缺损部位出现许多可见的类骨质和致密结缔组织区域所有组均未观察到炎症或坏死，表明BSC和超声刺激都具有良好的生物安全性(图6)。此外，从心、肝、脾、肺和肾的H&E组织学染色来看，各组的主要器官均未观察到明显的组织形态学和病理学变化。
综上， 本文设计了一种ARS，并将其嵌入到负载SDF-1/BMP-2的藻酸盐水凝胶中形成BSC，以募集内源性BMSCs并将其捕获到支架上，用于原位骨组织再生。p-US辐射用于破坏藻酸盐水凝胶，以加速其降解并释放封装的SDF-1/BMP-2细胞因子，向骨缺损部位募集远处宿主内源性BMSCs 。在这些细胞被募集并且水凝胶在骨修复的纤维血管阶段被降解后，ARS暴露于这些募集的干细胞。 然后用s-US辐射捕获这些细胞，并帮助它们在支架上粘附生长，极大地有利于骨缺损的修复 。本文的研究为操纵内源性干细胞修复骨缺损提供了一种新的有效策略。
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