载干细胞可注射缓释微球修复椎间盘退变

椎间盘退变是腰痛的常见诱因之一，手术虽然能够在很大程度上缓解疼痛，但是伴随的副作用不容忽视。在经历椎间盘切除的病人中大约5%-26%最后会有椎间盘的再次突出。另外，手术后椎间盘的退变不可逆转，并且会进一步加重。因此，临床上迫切需要一种能微创修复退变椎间盘的策略。

由于椎间盘区域细胞的自修复能力弱，以及该部位的免疫豁免性，干细胞修复修复近来越来越多的被报道，但是干细胞在局部的非定向分化也产生了新的问题。干细胞联合生长因子的定向修复策略为解决这一问题提供了方向。但是作为这一系统的递送材料，常规的块状支架在满足力学的同时，需要局部切开加重局部组织的损伤，而可注射支架需严格控制支架的溶胀性以避免在椎间盘中造成新的突出。液态的搭载系统无法满足髓核的生物力学要求，而注射后再交联的策略，交联剂对局部组织也会造成不可预估的影响。因此，针对椎间盘组织的特性需求，来自浙江大学附属第二医院骨科的陈临炜主任、刘安医师联合EFL团队在Biofabrication上发表了题为“GDF5-GelMA injectable microspheres laden with adipose-derived stem cells for disc degeneration repair”的文章，利用EFL研究多年的载细胞微球技术制造了负载GDF5因子的GelMA凝胶微球缓释系统，评估了该系统搭载脂肪间充质干细胞对退变椎间盘的修复作用。

首先，通过电喷工艺制备了直径不同的GelMA微球，并进一步分析了不同打印针头和电压对微球直径以及成圆率的影响（图1A），并且测量了其负载生长因子的释放曲线（图1B）。

图1：GelMA微球缓释系统的参数特征

紧接着，研究人员证明该缓释系统具有良好的生物相容性。GelMA材料本身具有细胞粘附位点，且通过在低粘附板上培养21天，实验人员发现GelMA微球直径随培养时间增加而明显减少，最后聚集成团（图2A）。GelMA微球负载的干细胞仍有很强的增殖活性和很高的存活率（图2B，C）。通过电镜和鬼笔环肽染色，细胞在微载体平台上的细胞质长宽比更低，相比梭形更接近类方形（图2D，E）。

图2： GelMA微球缓释系统的生物相容性

随即，实验人员通过对rADSC-GDF5-GelMA球的PCR检测，发现相较于对照组和空白组，GDF5-GelMA组代表细胞外基质的Col2和ACAN和成髓核的标志基因Krt19，CD24明显升高（图3A，B）。微球的免疫荧光显示，搭载GDF5的GelMA表面细胞外基质分泌明显增加（图3C）。通过共培养GDF5-GelMA球和干细胞，底部的干细胞番红染色明显增加，表明微球释放的生长因子对周围的细胞有明显的促进细胞外基质合成的作用。

图3：GDF5-GelMA微球缓释系统对负载的干细胞的分化影响

为检验该缓释系统的体内椎间盘修复性能，在大鼠椎间盘退变的模型中，实验人员首先对大鼠尾巴的穿刺诱导椎间盘退变，之后注射相应的搭载系统（rGMs，rGDF5-GMs）来修复退变的椎间盘。通过HE，SO染色，免疫组化，组织学评分来评价椎间盘的修复效果。如图4所示：相较于损伤组和rGMs组，rGDF5-GMs组12周椎间盘高度下降不明显，细胞外基质降解较少，纤维环结构保持较好，组织学评分也显著低于损伤组和rGMs组。

图4：退变椎间盘的HE，SO染色及免疫组化

由此，电喷工艺制备的GelMA微球缓释系统可缓释生长因子，并可负载干细胞增殖及类髓核细胞分化。在体内该微球缓释系统可微创注射靶向至退变椎间盘区域，维持椎间盘高度，减缓椎间盘的退变。这种微球缓释系统有潜力成为一种微创治疗椎间盘退变的新方法，同时也为其他组织的重建再生提供了可实现的修复策略。

论文：“GDF5-GelMA injectable microspheres laden with adipose-derived stem cells for disc degeneration repair”已被Biofabrication在线刊登。浙大二院的徐海斌硕士为本文第一作者，浙大口腔医院的孙苗博士为共同第一作者，浙大机械工程学院贺永教授、浙大二院骨科刘安医生、陈临炜主任为共同通讯作者。

论文DOI: https://doi.org/10.1088/1758-5090/abc4d3