基于酶促交联的、具有组织粘合的仿生海藻酸硫酸盐水凝胶构建及软骨修复研究
研究背景
软骨组织由于无血管结构，自生能力非常有限。因此，急性创伤或退行性病变引起的软骨损伤会导致严重的关节疼痛和残疾。天然软骨是一个三维(3D)和高度水化的微环境，主要由胶原纤维和蛋白聚糖(aggrecan)组成，将软骨细胞封装到三维培养环境中，如生物或合成来源的水凝胶，已被广泛证明可诱导软骨细胞再分化和软骨特异性基质成分的表达。可注射的、原位形成的水凝胶近年已被证明可以微创和靶向的方式有效地负载细胞和生物活性分子。酶法交联聚合物网络原位形成水凝胶由于其生理条件和细胞相容性以及底物的特异性而受到广泛关注，与过氧化物酶类似，酪氨酸酶也经常被用于与经3,4-二羟基苯丙氨酸(多巴)或酪胺等酚醛类组分修饰过的合成聚合物或生物聚合物进行偶联，将蛋白质嫁接到聚合物骨架上，使其具有粘附性。
研究内容及主要成果
苏黎世联邦理工学院的Marcy Zenobi-Wong教授团队最近的研究表明，通过藻酸盐硫酸化来生物模拟软骨组织的固有特性，可以促进软骨细胞的有丝分裂，促进软骨基质的生成，并通过硫酸糖胺聚糖（GAG）仿生的方式诱导成纤维细胞生长因子(FGF)信号来阻止软骨细胞去分化。然而，除非被电纺丝的聚己内酯(PCL)纤维增强，离子交联的海藻酸硫酸盐水凝胶在体内是不稳定的。因此，该团队的研究人员在近期研究中，通过对海藻酸进行顺序修饰的方式，研制了一种用于软骨组织工程的仿生、稳定的水凝胶。首先用硫酸盐进行修饰，以模拟天然软骨的高糖胺聚糖含量，然后用酪胺基修饰，使其可以在生理条件下利用酪氨酸酶进行原位酶交联。与海藻酸酪胺（AlgTA）相比，酪氨酸酶交联的海藻酸硫酸酪胺（ASTA）水凝胶显示出对天然软骨组织的强粘附力，具有更高的结合强度。
研究发现，ASTA和AlgTA水凝胶均支持负载的牛软骨细胞的活性，并诱导软骨生成基因（如collagen2, aggrecan和sox9）的表达大大增加。ASTA水凝胶中软骨细胞的aggrecan和sox9基因表达明显高于AlgTA。培养3周后，ASTA和AlgTA水凝胶中的软骨细胞均显示软骨基质成分胶原蛋白2和聚集蛋白聚糖的有效沉积，而在硫酸盐水凝胶中胶原蛋白1的沉积减少。将ASTA和AlgTA水凝胶与负载的人软骨细胞一起从皮下植入小鼠，4周后发现其均在体内稳定存在，并且观察到软骨基质沉积。
研究意义及价值
该成果于近期在线发表于Biomedical Materials杂志。该研究首次研发了具有硫酸盐和酪胺双重修饰的海藻酸水凝胶，允许原位酶交联，对天然软骨具有强粘附力且可促进软骨再分化，显示出用于软骨修复的潜力。
来源：生物医用材料杂志IOP