近期，北京大学第三医院余家阔教授和吕华教授团队在 Bioactive Materials 上联合发表研究性论文：制备巯基/硫酯功能化的超支化聚氨基酸和马来酰亚胺功能化的聚肌氨酸，通过原位交联获得新型聚氨基酸水凝胶，复合外周血间充质干细胞后植入兔骨软骨缺损模型, 表现出优异的修复效果，且无明显异物排斥反应。
1、研究内容简介
关节软骨及骨软骨缺损是运动医学领域常见的损伤之一，通常导致关节疼痛和功能障碍，由于软骨无血管、缺乏内源性修复细胞的特点，其自愈能力有限，若不及时治疗最终将发展为骨关节炎。近年来，组织工程技术在骨软骨缺损修复方面提供了一种很有希望的治疗策略。水凝胶作为一种典型的生物支架材料，被广泛应用于软骨组织工程领域。然而，现有的水凝胶支架材料在生物降解性、生物相容性和免疫原性等方面仍不能满足临床的高标准需求，未充分考虑植入体内后巨噬细胞介导的免疫和异物反应的问题，最终导致软骨修复质量欠佳或失败。目前，市售且广泛使用的天然聚合物的水凝胶（如甲基丙烯酸酰化明胶，GelMA）具有异质性，性能受到批次影响而不一致，同时还存在固有或杂质引起的免疫原性问题。而合成聚合物（如聚乙二醇，PEG）通常生物降解能力较差，亦会刺激机体产生免疫反应和异物排斥反应（FBR）。
本文通过采用简洁的合成方法，通过原位成胶的方式制备了一种新型聚氨基酸水凝胶（命名为PAA-RGD），该水凝胶具有合适的生物降解性、优异的生物相容性和极低的免疫原性。
图1. PAA-RGD 水凝胶制备流程图
将PAA-RGD水凝胶与外周血间充质干细胞（PB-MSCs）复合后植入新西兰大白兔膝关节骨软骨缺损，通过影像学核磁共振发现PAA-RGD水凝胶组的炎症水肿情况较其余各组更轻， micro-CT表面PAA-RGD水凝胶组的软骨下骨修复更佳。除此之外，病理切片HE/甲苯胺蓝染色/番红固绿/二型胶原免疫组化染色均证实PAA-RGD水凝胶组的骨软骨修复效果显著优于对照组GelMA和PEG-RGD水凝胶，尤其在术后早期（6周）的骨软骨修复差异更为明显，而PEG-RGD/GelMA水凝胶组在植入体内6周后仍未完全降解。
图2. 包载PB-MSCs的水凝胶在体内骨软骨缺损修复效果。(a) PB-MSCs分离、包载在水凝胶并植入骨软骨缺损的流程图。(b) 骨软骨缺损修复的ICRS评分。骨软骨缺损修复的MRI (c) 和micro-CT (d) 图像。
图3. 修复组织的形态学、组织学和免疫组化结果。(a) 修复12周的软骨表面SEM图像。(b) H&E，甲苯胺蓝（TB,紫色），番红O固绿（SO&FG, 橙色和绿色）和COL-II免疫组化染色（棕色）;* =水凝胶的未降解部分，N =正常软骨，R =修复组织，箭头表示正常软骨和修复组织的界面。
在转录组学的初步机制研究中发现，与GelMA和PEG-RGD组相比，PAA-RGD的免疫反应相关通路显著下降。为进一步探究机体的异物排斥反应及PAA-RGD水凝胶对巨噬细胞免疫表型的调控机制，将各组水凝胶植入小鼠皮下，结果表明PAA-RGD水凝胶导致的异物排斥反应最低，而PEG-RGD及GelMA水凝胶周围均有致密的纤维囊形成，提示存在较重的异物排反应。该研究通过免疫组化进一步分析了浸润在水凝胶周围的巨噬细胞表型，众所周知，巨噬细胞对免疫调控及组织修复具有重要意义，M1型巨噬细胞通常具有促炎作用、不利于组织修复，而M2型巨噬细胞通常具有抗炎促组织修复效果。结果显示，浸润在PAA-RGD水凝胶周围的细胞主要为M2型巨噬细胞，而浸润在PEG-RGD水凝胶周围的巨噬细胞以M1型居多，GelMA水凝胶对体内巨噬细胞的极化无显著影响。
图4. 植入小鼠皮下水凝胶的异物排斥反应和巨噬细胞极化。(a) 由皮下植入的水凝胶诱导的C57/BL6小鼠异物排斥反应和巨噬细胞极化的模式图。(b) HE和MASSON染色用于评估植入14天后的炎症反应和胶原纤维囊包封厚度。(c) 免疫组化染色评估植入后第14天浸润到水凝胶 - 组织界面中的巨噬细胞的表型。阳性染色呈棕色（用箭头表示代表性阳性细胞），苏木精染色的细胞核均显示蓝色。* = 水凝胶。
以上发现证明了免疫调节在软骨组织修复方面的重要性，并表明，载干细胞的PAA-RGD水凝胶在骨软骨再生修复领域具有潜在的应用前景。该研究结果的转化，将促进各种基于聚氨基酸生物材料研发应用和临床转化。
2、原文信息
Meng Yang, Zhengchu Zhang, Fuzhen Yuan, Ronghui Deng, Xin Yan, Fengbiao Mao, Yourong Chen*, Hua Lu*, Jiakuo Yu*.
An immunomodulatory polypeptide hydrogel for osteochondral defect repair.
Bioactive Materials, 19, (2023) 678-689.
