華南理工大學研發出3D打印水凝膠支架實現海綿體修復,成功恢復雄兔生殖能力!

華南理工大學研發出3D打印水凝膠支架實現海綿體修復,成功恢復雄兔生殖能力!

海綿狀組織是陰莖的重要組成部分。具有完整海綿竇結構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,而人工修復受傷海綿體往往會受到解刨學、美學、功能方面和倫理道德的挑戰。因此,迫切需要探索一種有效的海綿體重建再生治療方法。

由於海綿竇的復雜結構和滿足其生理功能所必需的特殊機械性能,用於海綿體修復的生物材料必須具有良好的加工性能,適當的機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),取決於海綿竇內微血管系統的正常循環和血液供應。因此微血管系統的重建在海綿體功能的恢復中起著至關重要的作用。

生物工程血管化海綿體實現海綿體修復

基於此,華南理工大學施雪濤教授和美國俄克拉荷馬大學毛傳斌教授構建瞭一種表面有肝素塗層的3D打印水凝膠支架,並向其中植入瞭缺氧誘導因子(HIF-1α)突變的肌源性幹細胞(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,支持血管組織向內生長並促進新血管生成以修復缺陷。對修復後海綿體組織的形態、海綿體內壓力、彈性和收縮性的評價證明3D打印水凝膠支架不僅成功修復瞭陰莖缺損並恢復瞭陰莖勃起和射精功能,恢復瞭受傷雄兔的生殖能力。

華南理工大學研發出3D打印水凝膠支架實現海綿體修復,成功恢復雄兔生殖能力!
圖1 兔海綿體損傷修復示意圖

生物工程血管化海綿體的制備

鑒於調節血管生長因子的關鍵轉錄激活因子HIF-1α的表達對氧非常敏感,作者通過慢病毒轉染基因突變技術制備瞭HIF-1α過表達的MDSCs(mHIF-1α MDSCs)。這種mHIF-1α MDSCs不僅在常氧和低氧狀態下穩定且高水平地表達HIF-1α,而且在HIF-1α的調節下明顯提高血管生成相關因子的表達,從而促進新血管的形成。此外,肝素是一種荷負電的多糖大分子,對血管生成因子具有良好的親和力,可以通過結合血管生成蛋白,如血管內皮生長因子(VEGF),提高其穩定性,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酸(HAMA)、15%甲基丙烯酰胺改性的明膠(GelMA)和0.5%光引發劑(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。然後利用聚賴氨酸(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。最後將mHIF-1α MDSCs接種到肝素塗層支架上,再將其植入損傷的海綿體中(圖1)。

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圖2 細胞負載的3D水凝膠支架在裸鼠皮下植入的實驗評價

生物工程血管化海綿體促進血管再生

由於3D打印水凝膠支架具有多尺度的多孔結構,類似於原始的陰莖海綿體組織。在植入後作者發現水凝膠支架材料與自體組織完全相容,無組織壞死(圖2a)。作者進一步通過研究發現,負載mHIF-1α MDSCs和肝素的3D水凝膠支架中出現瞭最多的新生血管,並且在材料降解的同時,新生組織開始在整個支架上生長,填滿支架的孔隙,從而保持甚至提高瞭支架的抗壓強度。此外,3D打印水凝膠支架表面的肝素可以特異性結合血管生成因子,延長這些生長因子的有效時間,促進血管再生,增加組織中的血管密度(圖2ef)。

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圖3在修復的海綿體中檢測ICP、MAP和器官浴試驗

生物工程血管化海綿體實現生理功能的恢復

作者通過對3D打印水凝膠支架進行壓縮試驗和循環壓縮試驗發現,水凝膠支架的楊氏模量(40.14 ± 9.03 kPa)接近天然海綿體(〜20 kPa)。並且在20次循環壓縮測試(應力高達40 kPa)後仍保持其原始機械性能,未出現任何損壞(在男性勃起功能中結構應力的升高范圍為5.1-31.5 kPa)。證明陰莖結構應力的升高不會對植入支架造成損傷。此外,功能評價和組織學形態表明,HIF-1α變異MDSCs負載水凝膠支架可以實現受傷陰莖海綿體的修復,其腔內壓力(ICP)和平均動脈壓(MAP)均可類比於正常海綿體,並且相對最大收縮力(MCF)可達原體海綿體的77%(圖3)。此外,被HIF-1α變異MDSCs負載水凝膠支架修復的雄性兔子通過交配在4個月內成功繁育出下一代(圖4),而對照組的雄性兔子沒有或隻繁育出一隻兔子,進一步證實其生理功能的恢復(包括勃起功能和射精功能)。

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圖4 HIF-1α變異MDSCs負載水凝膠支架修復的雄性兔子生理功能的恢復

總結與展望:

3D打印水凝膠支架成功修復海綿體缺損,恢復其勃起和射精功能,使模型兔恢復生殖能力。這種修復策略對於海綿體重建恢復男性生殖能力具有重要的價值。除瞭修復海綿體組織缺損外,這類3D打印支架還具有修復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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