近日，中國科學院深圳先進技術研究院合成所嚴飛研究員團隊與廣東省第二人民醫院團隊合作的最新成果以Remote Control of the Recruitment and Capture of Endogenous Stem Cells by Ultrasound for In Situ Repair of Bone Defects為題在線發表于材料科學國際知名期刊Bioactive Materials (IF = 16.874)。該研究設計制備了一種包埋超聲響應性支架與細胞因子的水凝膠復合物，可通過超聲可控釋放細胞因子并促進水凝膠的降解，有效募集并俘獲內源性干細胞貼附于支架上生長，從而促進了骨損傷修復的效果。
深圳先進院合成所嚴飛研究員和廣東省第二人民醫院劉紅梅主任醫師為該文章的通訊作者，廣東省第二人民醫院的何燕妮醫師（先進院客座學生）、深圳先進院醫工所李飛副研究員和深圳先進院合成所姜鵬博士為該文章的共同第一作者。
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組織工程技術為骨組織再生提供了一種頗具前景的策略，不僅提供了骨的機械支持和生物功能，而且可有效解決骨移植帶來的組織來源和免疫排斥等問題。通常情況下，利用組織工程策略結合了三個基本元素，包括支架、干細胞和生長因子。利用骨組織工程技術修復骨缺損的關鍵在于有效地募集干細胞或祖細胞到植入支架中，并誘導其分化為功能骨。近年來，學者們常利用各種載體將外源性骨髓間充質干細胞（bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs）移植到骨缺損部位進行骨修復。然而，這種外源性干細胞移植仍然存在來源有限、容易污染以及臨床轉化困難等問題。如何動員內源性干細胞向骨損傷部位定向遷移，并時序性地誘導其成骨分化，實現骨缺損的原位修復越來越受到研究者的關注。
為此，嚴飛研究員團隊聯合廣東省第二人民醫院的劉紅梅主任團隊設計了一種由聚乳酸3D打印制成的聲響應支架（acoustically responsive scaffolds, ARS），并將該支架包埋于Ca2+離子交聯形成的海藻酸鹽水凝膠中，水凝膠中同時裝載SDF-1和BMP-2細胞因子，將負載 SDF-1/BMP-2的仿生支架復合物（biomimetic hydrogel scaffold complexes, BSC）植入骨缺損后，借助脈沖波超聲（p-US）每天輻照一次（20 min/次），破壞海藻酸鹽水凝膠中的鈣離子交聯，促發釋放負載的SDF-1/BMP-2細胞因子，釋放的細胞因子一方面招募遠處的內源性BMSCs到骨缺損部位，另一方面也促進內源性干細胞的成骨分化；隨著連續14天每天一次的超聲輻照，BSC復合物中的水凝膠逐漸降解，暴露出內部包埋的ARS，再借助連續波超聲（s-US）激勵聲響應支架產生共振，產生向心聲輻射力，吸附募集過來的內源性干細胞/祖細胞捕獲到支架上，促進其在支架表面黏附生長及成骨分化，從而促進原位骨組織再生（圖1）。
圖1. 超聲介導BSC控釋細胞因子募招及吸附內源性BMSCs 修復骨缺損的示意圖
研究團隊首先測試了該聲響應支架水凝膠復合物在p-US條件下聲控釋放SDF-1/BMP-2細胞因子的效果，發現隨著p-US聲壓（0.1-0.4 MPa）和超聲輻照時間的延長（5-20 min），水凝膠產生的孔隙逐漸增多增大，牛血清蛋白（BSA）作為模式蛋白藥物的累積釋放效率也逐漸增加。此外，隨著每天一次的p-US連續輻照12天后，聲響應支架外層的水凝膠也被全部降解，表明該系統具有較好的聲控釋放藥物的效果（圖2）。
圖2. p-US介導BSC釋放藥物的效果
接著，研究團隊測試了聲響應支架ARS聲控俘獲骨髓間充質干細胞的效果，通過采用1.4 MHz，1.5 MHz，1.6 MHz的超聲頻率對單根聲響應支架進行輻照，其中，1.5 MHz為支架的共振頻率，而1.4 MHz 和1.6 MHz為支架的非共振頻率，當使用支架共振頻率的1.5 MHz 進行超聲（s-US）輻照時，可見綠色熒光標記的骨髓間充質干細胞被吸附到聲響應支架（紅色）的表面，隨著s-US作用時間的延長（2 min內），吸附到支架表面的干細胞逐漸增多。接著研究團隊對二維圓盤型支架進行了測試，也得到了類似的結果，吸附到支架表面的細胞在靜置培養后能貼附于支架表面生長（圖3）。
圖3. s-US介導ARS捕獲BMSCs 的效果
最后，研究團隊在大鼠模型上對該聲響應支架水凝膠復合物（BSC）聯合超聲治療股骨缺損的效果進行了評價，在該實驗中，團隊將BSC移植入骨缺損部位后，在第1-14天內采用每天一次p-US輻照骨缺損部位，促進BSC中的細胞因子釋放和水凝膠的降解，在第15-28天凝膠降解后則采用s-US進行輻照，誘發支架共振產生聲輻射力吸附干細胞，促進骨缺損的修復。結果表明：相比于其他對照組，移植BSC接受p-US和s-US超聲治療組具有更好的修復骨缺損的效果（圖4）。
圖4. BSC聯合p-US和s-US治療骨缺損的效果
該工作獲得了國家科技部重點研發計劃項目、國家自然科學基金面上項目、廣東省自然科學基金面上項目、廣州市科技計劃項目、深圳市科創委及深圳合成生物學創新研究院等項目支持。
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