干细胞应用新方向 I 生物材料支架增强MSC的功效

MSC的一个被广泛认可和开发的特性是释放发挥自分泌、旁分泌和系统作用的可溶性因子^[1-6]，这些因子可以减少炎症和减少组织细胞的凋亡^[7]、促进内源性组织器官的干祖细胞的增殖^{[8, 9]}，从而达到修复组织器官的效果。这也是MSC联合生物支架应用的基础，生物支架在生理物理上发挥支撑作用，MSC在支架3D的环境里发挥治疗功能。

生理上，干细胞微环境（niche）由可溶性、基质、细胞和机械因素等组成，这些因素共同决定了干细胞的细胞命运和/或分化模式。与单层（2D）相比，3D系统构成了更接近于生理组织的培养条件，可以增强MSC细胞功能，获得生理上更相关的结果^[10-12]。这些2D诱导培养方法搭配高通量筛选技术，从而降低每次筛选的成本，并支持一次研究获得多个的相关参数^[13-15]。尽管在干细胞培养和定向分化方面已经取得了重大成就，但2D方法在本质上是有限的，并且最终不能完全模拟自然组织结构。干细胞行为在2D和3D微环境中有明显的不同^[16-18]。最终，自然组织提供能够调节干细胞命运的生物物理和生物化学信号的动态呈现^{[19, 20]}。这些可溶性(即生长因子)和不可溶(即ECM蛋白)的时空信号是贯穿胚胎发育和组织形态发生的指导特征。这样的动态细胞信号和组织可以在创新的微工程生物材料中进行模拟，这些生物材料可以具有生理上相似的细胞微环境^{[13, 14]}。因此，对3D生物支架的开发使得能够深入了解MSC固有的特性（MSC多系分化能力和分泌活动），从而设计出多样化的治疗策略^[21]。

模拟天然细胞外基质（ECM）的生物材料可以提供必要的生物物理和生物活性组分，具有引导细胞重塑所需的特定微环境（niches）^[22]。先前的研究已经评估了生化组分的作用，包括直接细胞-细胞接触或可溶性因子信号在指导各种干细胞命运决定中的作用^[23-25]。根据生物材料合成策略不同，可以调节各种生物物理参数，如肿胀、孔隙率和降解，其中每个变量都可以显着影响支架特性并最终影响干细胞行为^{[22, 26, 27]}。

HA纳米颗粒结合胶原纤维，具有低结晶度和高润湿性以获得最佳的生物相容性和细胞粘附性，总孔隙率和孔径足以进行细胞浸润和营养扩散，并且降解速率与新骨形成速率兼容^[28]。

将MSC微囊化在三种具有不同基质组成的支架系统中：单纯胶原(C)、胺基胶原(AC)、胺基胶原和糖胺聚糖交联体（ACG），单纯胶原组成功诱导骨髓MSC软骨形成，而且支架中的MSC有明显的肌动蛋白细胞骨架，而MSC在胺基胶原和糖胺聚糖交联体中弱分化为软骨细胞，在胺基胶原支架中彻底不出现软骨分化^[29]。

3D培养MSCs的基因表达分析显示，与2D条件相比，粘附分子的表达增加，MMP-13表达增加和MMP2表达下降^[30]。而MMP-13表达增加和MMP-2表达下降有利于MSC的成骨分化^[31]。在免疫缺失的小鼠体内种植包裹MSC的生物材料，6周后即可观察到MSC分化为骨细胞^[32]，8周（2个月）后形成明显的骨组织结构^{[11, 32-35]}。

MSC表面有丰富的黏附分子，能感知ECM的物理性质，其中转录调节因子YAP/TAZ具有关键作用，将机械信息翻译成分子信号，导致细胞形态、粘附、迁移和分化方面的变化/适应^[36-39]。静电纺丝纤维上的脂肪MSC产生的抗炎（COX-2，PGE2，iNOS，TSG-6）和促血管生成细胞因子（VEGF，HGF和bFGF）水平显着高于微板上培养的同一来源的MSC，在大鼠皮肤切除伤口愈合模型中，从MSC-支架系统收集的条件培养液加速了伤口的闭合，并增强了巨噬细胞向伤口中促进愈合表型的极化^[40]。

一种具有光调节刚度的3D纤维合成材料，利用细胞粘附肽RGD进行功能化，增加水凝胶表面的硬度可诱导MSC的胞体伸展和增殖；然而，增加纤维刚度反而抑制某些胞体支架结构的铺展和增殖^[41]。因此，证明了MSC细胞形态更多地由纤维形态决定，而不是由生化成分决定^{[41, 42]}。

3D打印支架具有相互连接的多孔结构，允许养分、可溶性因子和其他分子信号的交换。由于生物墨水通常在印刷和交联之前装载细胞，因此这些细胞有效地嵌入到生物材料中^{[43, 44]}。但是由于在印刷阶段施加剪切力，可能会引起的细胞活力和功能特性的变化^[45]。而且生物墨水的机械特性需要优化以便细胞存活，并将对MSC细胞表型和功能的影响降到最低^{[46, 47]}。

有意思的是，生物支架中的Mg(2+)离子有利于促进MSC的增殖和存活，以及更好的成骨分化^{[35, 48, 49]}。Ca(2+)离子浓度依赖性地促进MSC迁移和骨形成，与单独使用支架相比，添加Ca(2+)离子的生物支架显着增强了骨再生；但是，当Ca(2+)离子和BMP-2联合使用时，MSC体外迁移和活性AKT水平则出现减弱^{[50, 51]}。一种BGMS10生物活性玻璃，含锶(Sr)和镁(Mg)离子，具有良好的体外生物活性，支持人骨髓MSC的粘附、定植和骨分化^[52]。更有意思的是，MSC种植在磁性支架上，甚至更多地暴露在磁场中，MSC显著增加了细胞粘附，成骨分化，血管生成和骨再生^[53]。

在包囊有MSC的生物材料中，还可以添加细胞因子，增强MSC的治疗功效。在含有BMP-2的水凝胶中，体外MSC细胞活力提高了55%，而且含BMP-2和MSC的水凝胶具有最高的骨钙素表达和血管内皮生长因子^[54]，BMP-2增强了MSC促进骨再生的功能^{[51, 54]}。可降解的聚乙二醇水凝胶结合BMP-2和TGF-β3，再包裹MSC，借助TGF-β3促进MSC向软骨细胞分化，BMP-2促进MSC向成骨细胞分化，MSC分化产生的骨-软骨复合物用于修复骨关节缺损^[55]。将负载MSC和生长因子（FGF-9和VEGF）的纳米硫酸钙支架植入小鼠皮下，促进新生血管形成和骨形成，效果是对照组的4倍以上^[51]。

总而言之，MSC和生物材料结合，可以解决MSC在体内存活时间过短的缺点，而且MSC的免疫抑制功能和分泌细胞因子的功能得到增强。由于MSC很容易向成骨细胞分化，因此，MSC和生物材料结合在骨组织医学工程的应用，是一个很好的应用方向。

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