治疗肌肉骨骼组织再生通常使用生长因子（GFs）来促进细胞迁移、增殖或分化，然而该领域还存在诸如时空控制较差和剂量超过生理水平等问题。细胞外基质（ECM）通过静电相互作用调控着GFs的呈递和保留，利用ECM模拟物的生物材料技术在组织再生方面很有前景。本文回顾了近年来在骨骼、软骨和肌肉再生领域利用模拟ECM的载体调控GF呈递的策略。

01、研究内容简介

在美国，18岁以上有超过一半的人，65岁以上有近四分之三的人遭受着肌肉骨骼（MSK）疾病的影响。由于65岁以上的美国人将在2030年超过20%，因此MSK疾病的规模非常庞大且影响十分深远。该疾病的发病人数远高于循环系统或呼吸系统疾病，治疗费用也是巨大的。组织工程在治疗MSK疾病和解决现有临床方法中存在的问题等方面前景令人兴奋。但需要有效的策略来影响细胞的行为，使细胞迁移、增殖并分化为所需的表型，从而构建功能性组织亚单位或结构。细胞行为可以通过一系列方法来调节，包括调控载体的生物物理性质、与辅佐细胞共培养、遗传操作以及诸如生长因子（GFs）等诱导性大分子的快速、间歇或持续性呈递。

GFs是一类天然蛋白质，它能刺激细胞分裂和分化，在组织发育和修复过程中具有重要作用（表1）。三十多年来，人们一直在研究GFs的递送方式对组织再生的有效影响，尤其是在MSK的应用方面。然而，GFs向临床应用的转化并不令人满意，主要是由于使用重组技术合成的成本高、时空控制有限以及克服蛋白质的不稳定所需的剂量超过生理水平从而产生有害的副作用。

表1 MSK组织再生中暗含的生长因子。组织再生依赖于GFs与其它细胞因子、大分子和酶的时间级联。

关键词：骨形态发生蛋白（BMP）、转化生长因子（TGF）、血管内皮生长因子（VEGF）、胎盘生长因子（PlGF）、生长分化因子5（GDF-5）、成纤维细胞生长因子18（FGF-18）、肝细胞生长因子（HGF）、胰岛素样生长因子1,2（IGF-1,2）。

内源性细胞外基质（ECM）在组织的形成和修复中至关重要，它是细胞粘附和增殖的支架，为组织提供结构和机械稳定性，还能够结合和递送邻近细胞分泌的GFs来调控细胞的存活、增殖和分化。除此以外，ECM通过静电相互作用调控GFs的保留和呈递，同时还控制着其它事件，例如调节GF信号转导的整合素簇聚。因此，许多组织工程平台试图模拟ECM的特性，使用合成材料或从ECM中提取的蛋白质和组织与其它生物材料相结合，为MSK组织再生递送GFs（图1）。这篇综述将重点介绍为MSK组织修复递送GFs的各种策略，并且会特别关注模拟或结合基于ECM的相互作用的方法。文章描述了如何使用工程化ECMs和动态控制系统来调控GFs的释放。最后总结了当前方法面临的主要挑战以及未来该领域潜在的研究方向。

图1 (A)组织工程中用于影响移植或宿主细胞的GF递送方法示例。受应用或组织类型的驱动，人们开发了各种生物材料应用于组织工程。由于ECM的成分通常用于指导细胞以及储存GF，因此对这些生物材料做进一步改良可以调整GFs的呈递方式并增强递送效果。(B)无论是合成材料还是天然提取的材料，这些生物材料的组合再加上ECM的成分，调控着GF的时空呈递。ECM通过参与可能会加强GF信号转导的整合素信号转导来提高细胞和基质之间的分子反馈。

整体型递送系统：整体型生物材料递送系统使用单一的生物相容性材料或与其它平台复合，将GFs集中在目标部位，以基于扩散的方式控制大分子的呈递。整体材料有多种形态，包括块状聚集体、微粒、水凝胶、静电纺丝支架甚至金属。由于制造相对容易以及化学反应简单，40年来整体平台一直很受欢迎。然而，这些装置的简易导致了GFs的有效呈递所需的时空控制有限。整体型递送系统的多数方法都受到GF从载体扩散的速率限制，这取决于材料的降解速率（图2）。因此，采用更仿生的方式递送GFs是必要的，这能为促进组织形成提供更多的机会。

图2 整体型递送系统、离子型递送系统和基于ECM的递送系统的代表性GF释放概况。整体型载体通过扩散释放GFs，而离子型和基于ECM的GF递送利用带正电荷的蛋白质与带负电荷的载体之间的相互作用来持续呈递。

离子相互作用控制的生长因子递送：内源性组织ECM主要通过静电相互作用调控天然GFs的保留和呈递。ECM中带负电荷的成分（例如GAGs、HAp等）对GFs中带正电荷的氨基有很高的亲和力。为了模拟内源性相互作用并实现时空控制的改进，离子型递送系统优先考虑制备具有更多负电荷的生物材料，以模拟GFs对内源性ECM的高亲和力。然而，其中的许多方法都需要复杂的化学作用和长时间的材料合成，从而降低了向临床转化的可能性。因此，利用ECM来指导细胞反应和加强对GF时空控制的技术可能会得到更广泛的应用，这被认为是一种向临床转化的途径。

基于细胞外基质的支架材料：ECM是基质细胞蛋白和糖胺聚糖（GAGs）的复杂混合物，为细胞粘附、GF储存和细胞信号通路的激活提供互补位点（图3）。许多GFs的特点是与类肝素结合，其中GFs与内源性ECM的硫酸乙酰肝素蛋白聚糖具有很高的亲和力。这种相互作用促进了GF的保留，使ECM能够作为GFs的内源性储存库，从而按需释放GF维持组织内环境稳定或参与组织修复。为了获得组织特异的基质微环境，可以将ECM脱细胞化并使整体型载体功能化。从猪心包提取的ECM经脱细胞处理后用作递送bFGF的水凝胶。ECM中硫酸基和糖基使bFGF得到保留，到第五天释放了27.8%的bFGF，而胶原凝胶对照组释放了73.5%的bFGF。这些数据表明，从天然组织中提取的ECM可以用于GF递送，是促进MSK组织再生的诱人途径。

图3 ECM起到储存肌肉骨骼组织修复所需的GFs的作用。内源性GFs通常被结合了类肝素的蛋白聚糖隔离在ECM内。细胞与周围ECM的结合是借助于整合素与存在于基质细胞蛋白中的特异性配体的结合。这种相互作用也可能使GF受体簇聚在细胞表面，进一步促进靶细胞信号通路的激活以及由此导致的细胞表型变化。

总而言之，基于GF的治疗在MSK组织再生中是很有前景的，在提高这一方法的功效方面，设计可以实现局部并且持续释放GF的系统取得的进展展现出了巨大的潜力。目前GF临床应用使用的超生理剂量的生物大分子和低亲和力的载体会导致GF的快速释放和不良影响的产生。为了应对这一挑战，人们开发了模拟ECM结构、亲和力或电荷分布的生物材料系统，以提高相关GFs的结合效率和功效。

02、通讯作者简介

通讯作者：Kent Leach

Kent Leach is Professor of Biomedical Engineering and Lawrence J. Ellison Endowed Chair of Musculoskeletal Biology (elect) in Orthopaedic Surgery at University of California, Davis. His research interests are focused on developing cell-instructive biomaterials for tissue engineering, applying transport principles for growth of engineered tissues and modeling cancer, and translation from the bench to the clinic. In January 2021, he was appointed as the new Editor-in-Chief of the Journal of Biomedical Materials Research Part A, the official journal of the Society For Biomaterials (SFB). He was inducted into the College of Fellows of the American Institute for Medical and Biological Engineering (AIMBE) in 2017 and as a Fellow of the Biomedical Engineering Society in 2018. He has received multiple teaching and mentorship awards at UC Davis, and he holds many leadership roles in his scientific communities including membership on the Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society (TERMIS) America’s Council, Board of Directors of BMES, and Member-at-Large of the International Society of Fracture Repair within the Orthopaedic Research Society (ORS).

03、资助信息

这项研究得到了美国国立卫生研究院授予JKL的编号R01 DE025475和R01 DE025899项目的支持。

04、原文信息

R.C.H. Gresham, C.S. Bahney, J.K. Leach∗, 

Growth factor delivery using extracellular matrix-mimicking substrates for musculoskeletal tissue engineering and repair, 

Bioactive Materials 6(7) (2021) 1945-1956. 

doi: 10.1016/j.bioactmat.2020.12.012