具有抗炎特性的外泌体负载细胞外基质模拟水凝胶有助于/促进生长板损伤修复

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✦ 研究背景

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生长板是位于骨骺下的软骨结构，负责骨长骨的延长。一旦骨骺受损，可能导致生长障碍。生长板损伤后，炎症反应被激活来调控下游的重塑和修复事件的发生。大量的炎症因子会加速ECM的降解，同时刺激受损的软骨细胞产生基质金属蛋白酶来抑制软骨基质蛋白基因(SOX-9)的表达，并加重软骨细胞ECM的分解代谢，极大地阻碍了软骨细胞的再生。

硫酸软骨素(Chondroitin sulfate,CS)是一种糖胺聚糖(glycosaminglycan, GAG)，主要存在于生物组织的ECM中，具有成软骨的特性。但CS基水凝胶不能抑制生长板损伤后炎症引起的降解。因此，调节局部免疫微环境以减少损伤后ECM降解具有重要的研究意义。相关工作以“Exosome-loaded extracellular matrix-mimic hydrogel with anti-inflammatory property Facilitates/promotes growth plate injury repair”为题发表在《Bioactive Materials》。

Background

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✦ 研究内容

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图1 来自BMSCs的Exos与ECM样GMOCS水凝胶结合从而通过提供ECM成分和抑制炎症来促进软骨修复示意图

通过UV、FTIR、SEM等试验证实了OCS的成功合成以及Exos被成功地装载到GMOCS水凝胶上。接着通过流变检测及缓释特性表明GMOCS和GMOCS-exos都是稳定的粘弹性固体，水凝胶的抗压强度值满足人松质骨的抗压强度值(0.15-13.7 MPa)。并且水凝胶中外泌体的释放可持续14天满足生长板修复的要求。

图2 负载Exos的GMOCS水凝胶的合成及化学结构示意图、SEM图像、力学性能和缓释特性

采用活死染色、CCK-8、细胞骨架染色等分析方法表明GMOCS-Exos对软骨细胞具有良好的亲和性和粘附性。

图3 各组生物相容性评价

由于巨噬细胞是损伤后炎症的主要介质，图4是在体外研究了负载exo的水凝胶对RAW264.7巨噬细胞的M1/M2极化效应。采用qPCR、免疫荧光和Western Blot检测相关炎症分子的表达。结果显示GMOCS-Exos水凝胶显著提高了Arg-1和IL-10白血病介素10（M2表型标记）的表达水平，而降低了iNOS和TNF-α的表达水平，表明Exos通过促进巨噬细胞M2极化具有很强的免疫调节作用。根据我们之前的研究，源自 BMSC 的 Exos 含有生物活性分子，尤其是 miR-199a，它可以通过抑制 NF-κB 通路来调节免疫力。通过PCR、WB进一步揭示GMOCS-Exos通过抑制NF-κB信号通路，增强巨噬细胞从M1向M2的极化，这可能有利于生长板修复。

图4 GMOCS-Exos抑制NF-κB信号通路，增强巨噬细胞从M1向M2的极化，促进生长板修复

为了评估GMOCS-Exos水凝胶的直接软骨生成效应，采用免疫荧光染色、qPCR 和 Western Blot 检测，发现GMOCS-Exos既能发挥免疫调节作用，又能发挥直接软骨保护作用，协同促进软骨生成。

图5 GMOCS-Exos促进受损软骨细胞的修复

随后，建立体内生长板损伤模型，深入探究GMOCS-Exos在促进免疫微环境、软骨细胞再生和ECM积累中的作用。Micro-CT组织学染色证明GMOCS水凝胶的植入显著减少了损伤部位骨桥的形成，证实了Exo负载的GMOCS水凝胶显着抑制生长板受损部分的骨修复，反而促进软骨再生。

图6 GGMOCS-Exos刺激损伤后生长板的修复并减少骨桥的形成，以及染色切片图像

Content

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✦ 结论

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总之，该研究报道了一种由ECM和bmscs衍生的Exos组成生物相容性的GMOCS-Exos水凝胶。由于掺杂了OCS, GMOCS水凝胶可以显著促进ECM的合成。此外，GMOCS-Exos水凝胶可以通过抑制炎症进一步促进软骨细胞的合成代谢，最终通过ECM重塑促进生长板损伤修复。

Summary

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✦ 参考文献

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Guan P, Liu C, Xie D, et al. Exosome-loaded extracellular matrix-mimic hydrogel with anti-inflammatory property Facilitates/promotes growth plate injury repair. Bioactive Materials. 2022 Apr;10:145-158. 

DOI: 10.1016/j.bioactmat.2021.09.010. PMID: 34901536; PMCID: PMC8637006.

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