華南理工大學(xué)研發(fā)出3D打印水凝膠支架實(shí)現(xiàn)海綿體修復(fù),成功恢復(fù)雄兔生殖能力!

海綿狀組織是陰莖的重要組成部分。具有完整海綿竇結(jié)構(gòu)的健康海綿組織是維持陰莖正常勃起功能和泌尿功能的前提。作為末端器官,陰莖海綿體不能通過再生得到修復(fù),而人工修復(fù)受傷海綿體往往會受到解刨學(xué)、美學(xué)、功能方面和倫理道德的挑戰(zhàn)。因此,迫切需要探索一種有效的海綿體重建再生治療方法。

由于海綿竇的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和滿足其生理功能所必需的特殊機(jī)械性能,用于海綿體修復(fù)的生物材料必須具有良好的加工性能,適當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能和生物相容性。另外,海綿體的正常組織功能(例如勃起和射精),取決于海綿竇內(nèi)微血管系統(tǒng)的正常循環(huán)和血液供應(yīng)。因此微血管系統(tǒng)的重建在海綿體功能的恢復(fù)中起著至關(guān)重要的作用。

生物工程血管化海綿體實(shí)現(xiàn)海綿體修復(fù)

基于此,華南理工大學(xué)施雪濤教授和美國俄克拉荷馬大學(xué)毛傳斌教授構(gòu)建了一種表面有肝素涂層的3D打印水凝膠支架,并向其中植入了缺氧誘導(dǎo)因子(HIF-1α)突變的肌源性干細(xì)胞(MDSCs),以制備生物工程血管化海綿體。將這種水凝膠支架植入海綿體缺損的兔模型中,顯示出良好的生物相容性,無免疫排斥反應(yīng),支持血管組織向內(nèi)生長并促進(jìn)新血管生成以修復(fù)缺陷。對修復(fù)后海綿體組織的形態(tài)、海綿體內(nèi)壓力、彈性和收縮性的評價(jià)證明3D打印水凝膠支架不僅成功修復(fù)了陰莖缺損并恢復(fù)了陰莖勃起和射精功能,恢復(fù)了受傷雄兔的生殖能力。

華南理工大學(xué)研發(fā)出3D打印水凝膠支架實(shí)現(xiàn)海綿體修復(fù),成功恢復(fù)雄兔生殖能力!
圖1 兔海綿體損傷修復(fù)示意圖

 

生物工程血管化海綿體的制備

鑒于調(diào)節(jié)血管生長因子的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄激活因子HIF-1α的表達(dá)對氧非常敏感,作者通過慢病毒轉(zhuǎn)染基因突變技術(shù)制備了HIF-1α過表達(dá)的MDSCs(mHIF-1α MDSCs)。這種mHIF-1α MDSCs不僅在常氧和低氧狀態(tài)下穩(wěn)定且高水平地表達(dá)HIF-1α,而且在HIF-1α的調(diào)節(jié)下明顯提高血管生成相關(guān)因子的表達(dá),從而促進(jìn)新血管的形成。此外,肝素是一種荷負(fù)電的多糖大分子,對血管生成因子具有良好的親和力,可以通過結(jié)合血管生成蛋白,如血管內(nèi)皮生長因子(VEGF),提高其穩(wěn)定性,從而加速新生血管的形成。因此,作者首先利用2%甲基丙烯酸酯化透明質(zhì)酸(HAMA)、15%甲基丙烯酰胺改性的明膠(GelMA)和0.5%光引發(fā)劑(12959)作為3D打印墨水,3D打印制備得到具有良好生物相容性和可降解性的3D打印水凝膠支架。然后利用聚賴氨酸(PLL)層層自組裝的方式,將肝素沉積到3D打印的水凝膠支架上。最后將mHIF-1α MDSCs接種到肝素涂層支架上,再將其植入損傷的海綿體中(圖1)。

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圖2 細(xì)胞負(fù)載的3D水凝膠支架在裸鼠皮下植入的實(shí)驗(yàn)評價(jià)

 

生物工程血管化海綿體促進(jìn)血管再生

由于3D打印水凝膠支架具有多尺度的多孔結(jié)構(gòu),類似于原始的陰莖海綿體組織。在植入后作者發(fā)現(xiàn)水凝膠支架材料與自體組織完全相容,無組織壞死(圖2a)。作者進(jìn)一步通過研究發(fā)現(xiàn),負(fù)載mHIF-1α MDSCs和肝素的3D水凝膠支架中出現(xiàn)了最多的新生血管,并且在材料降解的同時(shí),新生組織開始在整個(gè)支架上生長,填滿支架的孔隙,從而保持甚至提高了支架的抗壓強(qiáng)度。此外,3D打印水凝膠支架表面的肝素可以特異性結(jié)合血管生成因子,延長這些生長因子的有效時(shí)間,促進(jìn)血管再生,增加組織中的血管密度(圖2ef)。

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圖3在修復(fù)的海綿體中檢測ICP、MAP和器官浴試驗(yàn)

 

生物工程血管化海綿體實(shí)現(xiàn)生理功能的恢復(fù)

作者通過對3D打印水凝膠支架進(jìn)行壓縮試驗(yàn)和循環(huán)壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),水凝膠支架的楊氏模量(40.14 ± 9.03 kPa)接近天然海綿體(?20 kPa)。并且在20次循環(huán)壓縮測試(應(yīng)力高達(dá)40 kPa)后仍保持其原始機(jī)械性能,未出現(xiàn)任何損壞(在男性勃起功能中結(jié)構(gòu)應(yīng)力的升高范圍為5.1-31.5 kPa)。證明陰莖結(jié)構(gòu)應(yīng)力的升高不會對植入支架造成損傷。此外,功能評價(jià)和組織學(xué)形態(tài)表明,HIF-1α變異MDSCs負(fù)載水凝膠支架可以實(shí)現(xiàn)受傷陰莖海綿體的修復(fù),其腔內(nèi)壓力(ICP)和平均動脈壓(MAP)均可類比于正常海綿體,并且相對最大收縮力(MCF)可達(dá)原體海綿體的77%(圖3)。此外,被HIF-1α變異MDSCs負(fù)載水凝膠支架修復(fù)的雄性兔子通過交配在4個(gè)月內(nèi)成功繁育出下一代(圖4),而對照組的雄性兔子沒有或只繁育出一只兔子,進(jìn)一步證實(shí)其生理功能的恢復(fù)(包括勃起功能和射精功能)。

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圖4 HIF-1α變異MDSCs負(fù)載水凝膠支架修復(fù)的雄性兔子生理功能的恢復(fù)

 

總結(jié)與展望:

3D打印水凝膠支架成功修復(fù)海綿體缺損,恢復(fù)其勃起和射精功能,使模型兔恢復(fù)生殖能力。這種修復(fù)策略對于海綿體重建恢復(fù)男性生殖能力具有重要的價(jià)值。除了修復(fù)海綿體組織缺損外,這類3D打印支架還具有修復(fù)其他含血管組織的潛力(例如皮膚、鼻組織和心肌組織等)。

本文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16192-x

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