軟骨損傷的修復(fù)是再生醫(yī)學(xué)界面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn),。軟骨細(xì)胞增殖能力較弱，軟骨組織基本沒(méi)有血管和淋巴的分布,，因此,，軟骨在損傷后難以實(shí)現(xiàn)對(duì)創(chuàng)面的自身修復(fù)。

近日,，四川大學(xué)張興棟院士團(tuán)隊(duì)肖蕓副研究員發(fā)現(xiàn)了膠原水凝膠“黏彈性”調(diào)控干細(xì)胞成軟骨分化的作用及機(jī)制,，為將其用于干細(xì)胞研究,，以及軟骨的再生修復(fù)提供了理論基礎(chǔ)。目前,，這項(xiàng)研究已經(jīng)以“Collagen hydrogel viscoelasticity regulates MSC chondrogenesis in a ROCK-dependent manner”為題發(fā)表在 Science Advances 上,。

（來(lái)源：Science Advances）

“軟骨組織再生能力差，軟骨缺損修復(fù)長(zhǎng)期以來(lái)都是臨床難題,。我們的這項(xiàng)研究進(jìn)一步揭示了膠原基水凝膠誘導(dǎo)干細(xì)胞軟骨分化的機(jī)制,，為今后設(shè)計(jì)用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)的新型生物材料提供了重要參考。”四川大學(xué)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)材料工程技術(shù)研究中心肖蕓告訴生輝,。

肖蕓本科就讀于四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè),，期間曾作為交換生赴美國(guó)華盛頓大學(xué)生物工程學(xué)院學(xué)習(xí)。畢業(yè)后,，她進(jìn)入加拿大多倫多大學(xué)化學(xué)工程與應(yīng)用化學(xué)學(xué)院攻讀博士學(xué)位,。她回國(guó)后進(jìn)入四川大學(xué)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)材料工程技術(shù)研究中心張興棟院士課題組，開(kāi)展生物材料研究工作?，F(xiàn)階段,，她的研究方向主要圍繞細(xì)胞和生物材料的相互作用，通過(guò)探索深層機(jī)制來(lái)輔助生物材料的功能化設(shè)計(jì),。

▲圖丨四川大學(xué)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)材料工程技術(shù)研究中心副研究員肖蕓（來(lái)源：受訪者）

“我們開(kāi)展的這項(xiàng)研究是基于張興棟院士團(tuán)隊(duì)早期的一個(gè)突破性發(fā)現(xiàn)，依靠 Ⅰ 型膠原基凝膠這種天然生物材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軟骨缺損的再生修復(fù),?！毙な|說(shuō)道。

據(jù)介紹,，張興棟團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn) Ⅰ 型膠原基凝膠可以誘導(dǎo)干細(xì)胞向成軟骨細(xì)胞系分化,，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)軟骨的再生與修復(fù)。他們還利用這種生物材料包裹間充質(zhì)干細(xì)胞成功完成了 70 余例關(guān)節(jié)軟骨缺損的臨床研究,，取得了較好的療效,。

“然而，這種膠原基凝膠誘導(dǎo)干細(xì)胞軟骨分化的機(jī)制目前還不明確,，我們著手從材料力學(xué)性能的角度開(kāi)展了這項(xiàng)研究,，更加深入地探索這種生物材料促進(jìn)軟骨再生的關(guān)鍵材料學(xué)因素以及內(nèi)在機(jī)理?！毙な|說(shuō)道,。

▲圖丨膠原水凝膠“黏彈性”調(diào)控細(xì)胞形態(tài)和肌動(dòng)蛋白組織（來(lái)源：Science Advances）

在這項(xiàng)研究中，肖蕓和團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)關(guān)注的是膠原水凝膠“黏彈性”的性質(zhì),?！澳z原水凝膠是用于細(xì)胞或組織培養(yǎng)較為常見(jiàn)的一個(gè)基質(zhì)材料，近些年它的黏彈性開(kāi)始得到生物材料領(lǐng)域研究者的關(guān)注,。而我們也開(kāi)始留意,，通過(guò)調(diào)控膠原水凝膠的黏彈性觀察對(duì)干細(xì)胞分化帶來(lái)的影響,。”她說(shuō)道,。

“膠原水凝膠的'黏彈性’,，不同于'彈性’這種靜態(tài)的力學(xué)性能，而是一種具有時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,。”她指出,。

借助體外細(xì)胞試驗(yàn)，肖蕓和團(tuán)隊(duì)通過(guò)控制膠原纖維自組裝過(guò)程調(diào)節(jié)膠原水凝膠黏彈性,，發(fā)現(xiàn)膠原水凝膠黏彈性的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能是細(xì)胞-基質(zhì)相互作用建立和穩(wěn)定的關(guān)鍵,，其通過(guò) ROCK 信號(hào)通路調(diào)節(jié)間充質(zhì)干細(xì)胞存活和成軟骨分化，對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞前期啟動(dòng)成軟骨分化和后期軟骨組織形成具有時(shí)序性調(diào)節(jié)作用,。

▲圖丨調(diào)控機(jī)制示意（來(lái)源：Science Advances）

“本研究中調(diào)控黏彈性的方式是我們?cè)谇捌谘芯恐兴雎缘舻囊粋€(gè)細(xì)微步驟,。”肖蕓指出,。通常而言,，膠原水凝膠制備過(guò)程需要進(jìn)行冰上低溫孵育，然而低溫孵育的時(shí)間往往被忽略,，他們研究發(fā)現(xiàn)膠原水凝膠的低溫孵育時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)其黏彈性有著非常直觀的影響,。“所以,，這也是我們這項(xiàng)研究的啟示之一,，提示我們今后在材料設(shè)計(jì)制備時(shí)需要留意細(xì)節(jié)，一些經(jīng)常被忽略掉實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)中可能存在意想不到的生物學(xué)效應(yīng),。”她補(bǔ)充說(shuō),。

談及開(kāi)展這項(xiàng)研究過(guò)程中遇到的挑戰(zhàn)，肖蕓表示,，最初的實(shí)驗(yàn)假設(shè)是黏彈性對(duì)成軟骨分化存在比較直觀的影響,。“通常我們通過(guò)材料應(yīng)力松弛行為的'快’和'慢’來(lái)描述它的黏彈性,，要么'快’的更好,、要么'慢’的更好，我們起初抱著這樣的試驗(yàn)預(yù)期開(kāi)展研究工作,，然而隨著研究的深入,，我們發(fā)現(xiàn)'快’和'慢’會(huì)在不同的階段對(duì)細(xì)胞行為帶來(lái)不同的影響?！彼f(shuō)道,，“比如在前期'慢’的對(duì)成軟骨更好，但是在成軟骨分化的后期，'快’的反而更好,，這個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)了一個(gè)'逆轉(zhuǎn)’行為,，進(jìn)而讓機(jī)理研究變得更為復(fù)雜?！彼a(bǔ)充說(shuō),。

關(guān)于下一步的研究動(dòng)向，“目前這項(xiàng)研究是在體外細(xì)胞培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn),、挖掘和總結(jié)的一個(gè)機(jī)制,，下一步我們計(jì)劃在動(dòng)物體內(nèi)對(duì)這一機(jī)制進(jìn)行驗(yàn)證或進(jìn)行更深入地探索，使其能夠更好地為這種材料的臨床應(yīng)用提供理論指導(dǎo),。畢竟,，生物材料研發(fā)都是以臨床應(yīng)用為導(dǎo)向的，最終要落地到臨床,?！彼偨Y(jié)道。

干細(xì)胞素有“萬(wàn)能細(xì)胞”之稱,，其具有再生組織結(jié)構(gòu)的特性，是再生醫(yī)學(xué)的核心,。根據(jù)來(lái)源不同干細(xì)胞可劃分為多種類型,，如胚胎干細(xì)胞、成體干細(xì)胞,，以及誘導(dǎo)多能干細(xì)胞等,。其中，成體干細(xì)胞在臨床治療方面應(yīng)用潛力較大,，包括造血干細(xì)胞和多種間充質(zhì)干細(xì)胞。比如,，造血干細(xì)胞在上世紀(jì)六十年代便開(kāi)始用于心血管系統(tǒng)疾病的臨床治療,。

圍繞干細(xì)胞在臨床治療方面的應(yīng)用，在肖蕓看來(lái),，“這需要根據(jù)不同臨床應(yīng)用場(chǎng)景'因地制宜’,。比如，我的研究領(lǐng)域主要圍繞骨骼肌肉系統(tǒng)再生,，針對(duì)骨骼肌肉系統(tǒng)相關(guān)疾病的臨床治療,，間充質(zhì)干細(xì)胞更具優(yōu)勢(shì)和潛力，這和胚胎發(fā)育過(guò)程中骨骼肌肉組織的來(lái)源是一致的,?！?/span>

（來(lái)源：Pixabay）

但就現(xiàn)階段而言，干細(xì)胞在臨床應(yīng)用還存在一些不足，肖蕓介紹了兩點(diǎn),。

其一,，干細(xì)胞獲取手段有待進(jìn)一步優(yōu)化。以間充質(zhì)干細(xì)胞為例,，貼壁篩選法是目前常用的一種提取方法,。“這種提取方法最終獲得的是一個(gè)混合的細(xì)胞群體,，并不是單純,、均一的細(xì)胞群體。這也就意味著提取到干細(xì)胞存在異質(zhì)性,，而這會(huì)導(dǎo)致其生物學(xué)表現(xiàn)有所差異,，進(jìn)而會(huì)對(duì)后續(xù)的研究或應(yīng)用帶來(lái)挑戰(zhàn)?！彼忉屨f(shuō),。

其二，為干細(xì)胞提供保護(hù),?！芭R床應(yīng)用的間充質(zhì)干細(xì)胞最好是自體來(lái)源，然而臨床患者多為老年群體,，相較于年輕患者,，老年患者的間充質(zhì)干細(xì)胞的再生能力大幅下降，為臨床治療帶來(lái)挑戰(zhàn),?！彼赋觥?/span>

據(jù)介紹,，肖蕓和團(tuán)隊(duì)先前曾開(kāi)展心肌補(bǔ)片的研究,，圍繞針對(duì)老年患者的間充質(zhì)干細(xì)胞臨床應(yīng)用難題，“我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型生物材料為間充質(zhì)干細(xì)胞提供一個(gè)更好的環(huán)境,，使其能夠更好的發(fā)揮作用,。”她說(shuō)，“因此,，對(duì)于干細(xì)胞在臨床治療中所面臨的一些挑戰(zhàn),，我們可以通過(guò)開(kāi)發(fā)新型生物材料的策略進(jìn)行補(bǔ)救和解決。”她補(bǔ)充說(shuō),。

肖蕓長(zhǎng)期從事以臨床應(yīng)用為導(dǎo)向的生物材料功能化設(shè)計(jì)的研究工作,，聚焦臨床應(yīng)用，她還介紹了先前所取得的一些成果發(fā)現(xiàn),。

比如,，針對(duì)糖尿病足潰瘍,，這是一種目前依然難以治療的皮膚創(chuàng)面?！拔覀?cè)_(kāi)發(fā)出一種可以促進(jìn)患者足部表皮細(xì)胞遷移的生物材料（敷料）,，進(jìn)而促進(jìn)糖尿病足潰瘍創(chuàng)面的愈合?！彼榻B說(shuō),。

再比如，現(xiàn)階段干細(xì)胞治療大都采用微創(chuàng)注射式,，然而注射過(guò)程中存在的剪切應(yīng)力會(huì)對(duì)干細(xì)胞造成損傷,。“我們?cè)O(shè)計(jì)了一種可注射的,、具有自修復(fù)性的納米復(fù)合水凝膠,，能夠包裹間充質(zhì)干細(xì)胞并起到保護(hù)作用，使其不受剪切應(yīng)力的刺激與破壞,，大幅提高了干細(xì)胞注射后的存活率和再生功能,。”她表示,。

產(chǎn)業(yè)化層面,，“我所在的張興棟院士課題組是國(guó)內(nèi)最早從事生物材料研發(fā)的團(tuán)隊(duì)之一，圍繞骨骼肌肉系統(tǒng)修復(fù)材料開(kāi)展了大量研究,，已有多款產(chǎn)品推向臨床應(yīng)用,。”肖蕓介紹說(shuō),，“具體到此次研究的這種用于軟骨缺損修復(fù)的 Ⅰ 型膠原基水凝膠材料,，目前已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，并已通過(guò)進(jìn)入國(guó)家藥監(jiān)局創(chuàng)新通道申報(bào)產(chǎn)品注冊(cè)證,，同時(shí)我們也期待來(lái)自投資方的注資加速研發(fā)試驗(yàn)進(jìn)程,，以期盡快實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用造福患者,?！彼偨Y(jié)道。