傳統(tǒng)組織工程技術主要依賴破壞性的組織學技術來獲取信息,無法對同一實驗個體進行連續(xù)的動態(tài)監(jiān)測。由于實驗動物的個體差異,反饋的“碎片化”信息難以反映真實的組織再生狀況,據(jù)此設計的工程化組織因缺乏良好的生物適配性而失敗。非侵入影像技術的快速發(fā)展,為連續(xù)和動態(tài)監(jiān)控組織再生過程提供了研究條件。在骨組織工程的研究中,將多模態(tài)影像技術整合到生物活性骨支架中,開發(fā)出“診療一體化”骨支架,有望實現(xiàn)對骨再生過程中支架降解、細胞分化、血管長入和新骨生成等再生要素的動態(tài)監(jiān)控,并揭示各再生要素在骨再生中的協(xié)同作用,以優(yōu)化支架設計并促進骨修復。
近期,東華大學何創(chuàng)龍教授團隊基于具有生物安全性與可持續(xù)監(jiān)測性的熒光和磁共振成像技術,利用3D打印技術構建了一種融合多模態(tài)影像功能和骨修復能力的骨組織工程支架。在復合支架中引入多模態(tài)影像劑和辛伐他汀,不僅提高了支架的骨再生能力,還能夠通過熒光和磁共振成像技術實時監(jiān)測支架的早期成骨和降解過程(圖1)。他們利用堿性磷酸酶(ALP)響應型膠束(Sup)裝載熒光染料吲哚菁綠(ICG)獲得ALP響應型熒光探針(ICG@Sup)。ICG@Sup可在ALP的作用下解離釋放ICG,產(chǎn)生強近紅外二區(qū)(NIR-II)熒光信號,使負載ICG@Sup的復合支架利用NIR-II熒光成像實現(xiàn)成骨早期的動態(tài)監(jiān)測。在載有辛伐他汀的SV/IU@OCP支架上接枝陰性造影劑氨基化超小超順磁性氧化鐵納米粒子(USPIO-NH2)賦予支架磁共振成像能力。支架降解引起造影劑流失使USPIO-NH2濃度降低,產(chǎn)生較高的磁共振T2信號,實現(xiàn)對支架降解的動態(tài)監(jiān)測(圖2)。體外細胞實驗結果表明,SV/IU@OCP支架通過上調骨髓間充質干細胞(BMSCs)相關成骨基因的表達(Runx2、ALP、Col I和OPN)來增強骨生成。此外,SV/IU@OCP支架通過促進BMSCs大量分泌ALP的方式增強了NIR-II熒光信號強度(圖3)。大鼠顱骨缺損模型研究結果顯示,SV/IU@OCP支架通過NIR-II熒光成像監(jiān)測骨形成早期過程,通過磁共振成像監(jiān)測植入物降解情況,初步實現(xiàn)了骨缺損修復的原位動態(tài)監(jiān)測(圖4)。SV/IU@OCP支架還顯示出最佳的骨修復效果(圖5)。
圖4 大鼠體內熒光/磁共振成像性能評價
圖5 大鼠體內骨再生性能評價
綜上所述,本研究為開發(fā)“可視化”骨組織工程技術提供了一種有益的嘗試,隨著支架被賦予更多的成像功能,未來有望對骨修復過程中的所有再生要素提供非侵入性的動態(tài)監(jiān)測。結合影像學和組織學數(shù)據(jù),對支架的各項結構和功能參數(shù)進行優(yōu)化,可望開發(fā)出具有良好骨再生潛能的修復材料,也能大大減少實驗動物的使用數(shù)量。
原文鏈接https://doi.org/10.1002/adhm.202302687
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