【逸芯生命科学】新型丝素蛋白水凝胶构建软骨类器官微球助力关节炎治疗

水凝胶微球具有可调的物理和化学性质，通过复制天然微环境，在软骨组织工程中显示出良好的前景。研究者开发了一种新型的RGD-SF-DNA水凝胶微球（RSD-MS），其具有均匀的尺寸、多孔表面及最佳的膨胀和降解特性。RSD-MS利用微流控系统结合光聚合和自组装技术制备而成，并用Pep-RGDfKA进行修饰。体外研究显示，RSD-MS能够增强骨髓间充质干细胞（BMSCs）的增殖、黏附和软骨分化。转录组分析表明，RSD-MS主要通过整合素介导的黏附通路和糖胺聚糖生物合成诱导软骨发生。在体内研究中，将BMSCs接种到RSD-MS上形成软骨类器官前体（COPs），显著增强了软骨再生效果。结果证明RSD-MS展现出良好的性能，能够有效促进软骨再生，是构建和长期培养软骨类器官的理想候选材料，为软骨再生和组织工程提供了一种创新的策略和材料选择。相关论文“Boosting cartilage repair with silk fibroin-DNA hydrogel-based cartilage organoid precursor”,于2024年5月发表于期刊《Bioactive Materials》上。

 

RSD-MS的成功制备与表征

采用了微流控技术，结合光交联来生产SF-DNA双网络水凝胶微球。在365 nm的紫外光下，SF-DNA前体液滴发生交联，形成SF的第二个网络，从而产生SD-MS。Pep-RGDfKAC是精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）的肽序列，具有丙烯酰基团，用于SD-MS的表面修饰，从而产生RSD-MS。RSD-MS展现出均匀的粒径分布（平均直径约527.5 μm）、多孔表面和适宜的孔隙率（约35.1 μm）。NMR和SEM分析证实了Pep-RGDfKA的成功修饰以及微球的多孔结构。此外，RSD-MS还表现出良好的溶胀性能和降解性能，在PBS中保持稳定，在蛋白酶K溶液中逐渐降解。

 

体外细胞实验：细胞毒性与增殖

通过Transwell共培养系统，发现RSD-MS对BMSCs无明显的细胞毒性，并显著促进了BMSCs的增殖。细胞粘附与形态：随着培养时间的延长，RSD-MS上的BMSCs数量显著增加，细胞形态逐渐由圆形变为纺锤形或多边形，表明RSD-MS具有良好的细胞粘附性能。软骨分化：Alcian蓝染色、ELISA和qRT-PCR结果显示，RSD-MS显著促进了BMSCs的软骨分化，免疫荧光染色和Western Blot进一步证实了这些结果。RSD-MS作为细胞生长的微支架，具有较大的比表面积，增强了细胞扩散和细胞间相互作用，促进了附着细胞的增殖。这些结果表明，RSD-MSs为细胞提供了优良的微环境，支持细胞粘附、增殖和浸润，从而有利于软骨类器官的构建。

 

在RSD-MS上对BMSCs进行转录组分析

转录组分析揭示了RSD-MS（RGD-SF-DNA水凝胶微球）对BMSCs（骨髓间充质干细胞）的生物学影响。通过mRNA测序分析，发现RSD-MS与对照组之间存在显著的基因表达模式差异。综合分析显示，RSD-MS组中有3454个差异表达基因，包括上调和下调的基因。基因本体论（GO）分析表明，RSD-MS上调了与软骨细胞分化、胶原蛋白合成、细胞增殖、细胞粘附和细胞因子活性相关的基因。京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析揭示了RSD-MS组中差异表达基因的功能，特别是上调了焦点粘附和细胞外基质（ECM）-受体相互作用等关键通路，对软骨生成和再生中的细胞-基质相互作用至关重要。这些发现为RSD-MS如何影响BMSCs的软骨生成分化提供了深入的见解。

利用 RSD-MS 对软骨修复进行体内评估

大鼠体内实验验证RSD-MS促进软骨再生的效果在大鼠股骨软骨缺损模型中，将RSD-MS和COP植入缺损部位，发现COP组展现出显著的软骨再生效果，且COP组的缺损部位填充更完整，表面更光滑，相邻软骨退变较少。与正常软骨更为接近。最后，RSD-MS和COP在体内实验中未表现出明显的生物毒性，具有良好的生物安全性。

总结

本研究成功开发了一种基于RSD-MS的新型软骨类器官前体，为软骨修复提供了一种创新的策略和材料选择。RSD-MS不仅具有优异的生物相容性和软骨诱导能力，还能在体内有效促进软骨再生，为骨关节炎等软骨退行性疾病的治疗提供了新的思路。