《BAM》干细胞纳米囊泡嵌入生物粘着水凝胶！

在组织工程支架开发中利用人工软材料的重大努力显示出对颌面骨再生的巨大潜力。然而，大多数生物材料无法同时满足在咀嚼环境中的强韧粘附强度、病理免疫调控和高效细胞特异性靶向治疗的多重要求，最终会损害修复过程。本书引入了一种含有间充质干细胞来源纳米囊泡（PEG-pp@nMSC@MT）的组织粘附水凝胶，结合炎症调控和细胞特异性靶向，作为颌面骨修复的一体化工具。依靠 PEG-SG 活性酯基团与 PEG-NH2 聚合物胺基之间的快速酰胺化反应，均匀网络迅速形成，易于注射、良好的生物相容性和强韧的粘附力，能够抵抗口腔内频繁的咀嚼力。基质金属蛋白酶 2（MMP2）可切割肽的加入使水凝胶能够响应缺陷位点蛋白酶水平升高，从而按需释放包裹的纳米囊泡，同时抑制过量的 MMP2 活性。值得注意的是，治疗性褪黑素高效运输到预期的 BMMSCs，增强了其成骨和免疫调节功能。综合而言，MMP2 的减少、BMMSCs 的抗炎因子分泌以及 nMSC@MT 的免疫调节作用协同促进巨噬细胞向 M2 表型的极化，促进骨骼再生。 PEG-pp@nMSC@MT 的治疗效果优于用于颌面骨缺损的一线移植材料 Bio-Oss，具有更优越的生物降解性和骨诱导能力。因此，这一创新的水凝胶平台结合了精准的免疫调节与细胞特异性靶向，成为有效修复颌面骨缺损的有前景治疗策略。

该研究以题为“MSC-mimicking nanovesicle embedded bio-adhesive hydrogel for dual immunomodulation and osteogenesis to promote maxillofacial bone regeneration”发表在Bioactive Materials上。

图1

负载靶向间充质干细胞功能性纳米囊泡（PEG-pp@nMSC@MT）、兼具组织黏附与炎症响应特性的水凝胶用于促进下颌骨再生的原理示意图。a）活性酯基团对组织蛋白具备高亲和性，使该水凝胶可在骨缺损处实现组织黏附，既能避免其在力学载荷与潮湿环境下发生移位，又可实现药物定点递送。b）骨缺损部位基质金属蛋白酶2（MMP2）表达水平升高时，PEG-pp@nMSC@MT水凝胶可按需释放nMSC@MT；该体系能够抑制基质金属蛋白酶活性，构建适宜微环境以维持干细胞生理功能。c）宿主间充质干细胞可特异性胞吞nMSC@MT，精准调控自身增殖、成骨分化及免疫调节能力。以上多重机制协同作用，让PEG-pp@nMSC@MT水凝胶有效助力颌面骨缺损修复再生。M1：巨噬细胞促炎表型；M2：巨噬细胞抗炎表型。

图2

纳米间充质干细胞载褪黑素制剂（nMSC@MT）承袭原始间充质干细胞特性，且可被骨髓间充质干细胞高效摄取。a）细胞膜经DiI标记、细胞质经Tht标记的微囊泡典型共聚焦成像图。比例尺：上方25微米，下方1微米。b）制备纳米微囊泡载褪黑素制剂（nMSC@MT）的纳米微囊泡与褪黑素共挤出流程示意图。c）纳米间充质干细胞载褪黑素制剂的典型透射电镜图像。比例尺：100纳米。d、e）动态光散射检测纳米微囊泡与纳米间充质干细胞载褪黑素制剂的粒径及Zeta电位（样本数n=3）。f、g）考马斯亮蓝染色与蛋白免疫印迹结果显示，微囊泡、纳米微囊泡、纳米间充质干细胞载褪黑素制剂中均保留干细胞标志物CD146、CD105、CD90以及功能蛋白CXCR4。h）可在骨髓间充质干细胞细胞质内观察到红色DiI标记的纳米间充质干细胞载褪黑素制剂，证明骨髓间充质干细胞通过胞吞作用摄取该制剂。比例尺：10微米。i）免疫荧光结果显示，水凝胶释放出大量红色DiI标记的纳米间充质干细胞载褪黑素制剂，被绿色CD146标记的间充质干细胞摄取。比例尺：50微米。j）采用流式细胞术检测阻断抗体（抗CXCR4抗体）存在条件下骨髓间充质干细胞对DiI标记纳米间充质干细胞载褪黑素制剂的摄取情况。k）流式细胞术统计骨髓间充质干细胞中DiI阳性细胞占比（样本数n=3）。l、m）阻断抗体（抗CXCR4抗体）干预下，骨髓间充质干细胞摄取DiI标记纳米微囊泡的免疫荧光染色图及对应的半定量分析结果（样本数n=3）。比例尺：50微米。采用单因素方差分析结合图基检验计算P值，*p＜0.05，**p＜0.01，***p＜0.001，n.s.代表差异无统计学意义。

图3

复合聚脯氨酸或纳米囊泡的水凝胶具备优异的生物相容性与理化性能。a）实物照片展示聚乙二醇水凝胶、聚乙二醇负载纳米间充质干细胞与褪黑素水凝胶、聚乙二醇-聚脯氨酸负载纳米间充质干细胞与褪黑素水凝胶的制备流程及可注射性能，比例尺=0.5厘米。b）形貌表征证实该水凝胶拥有形态适配可塑性、延展性与界面生物黏附性，蓝色染料提升宏观可视效果，比例尺=5毫米。c）不同黏附材料在猪皮上的黏附应力（样本量n=3）。d）扫描电镜典型图像呈现聚乙二醇、聚乙二醇负载纳米间充质干细胞与褪黑素、聚乙二醇-聚脯氨酸负载纳米间充质干细胞与褪黑素三类水凝胶的内部多孔结构，比例尺=20微米。e）三类水凝胶的压缩应力-应变曲线。f）三类水凝胶的溶胀性能；g）三类水凝胶的降解性能。h）基质金属蛋白酶酶切位点示意图（样本量n=3）。i）基质金属蛋白酶2浓度波动环境下，水凝胶中纳米间充质干细胞负载褪黑素的双阶段释放曲线（样本量n=3）。P值采用单因素方差分析结合图基检验计算，*p＜0.05，**p＜0.01，***p＜0.001，n.s.代表无显著差异。

图4

水凝胶植入小鼠下颌骨缺损模型后的体内骨再生效果评估。a）小鼠下颌骨缺损模型示意图。b）术后4周、8周下颌骨样本的显微计算机断层扫描三维重建图像，比例尺=1毫米。c）术后8周植入不同水凝胶的小鼠下颌骨缺损区域骨体积分数、骨表面积、骨小梁数量及骨小梁分离度的半定量分析（样本量n=6）。d）术后8周下颌骨缺损组织切片的苏木精-伊红染色与马松三色染色图像，比例尺=100微米。e、f）术后4周、8周下颌骨缺损区域Runt相关转录因子2、骨钙素表达水平的免疫荧光染色图像及对应半定量分析（样本量n=3），比例尺=50微米。采用单因素方差分析结合图基检验计算P值，∗p＜0.05、∗∗p＜0.01、∗∗∗p＜0.001，n.s.表示无统计学差异。

图5

PEG-pp@nMSC@MT水凝胶可在体外有效促进骨髓间充质干细胞成骨分化。a）骨髓间充质干细胞与水凝胶共培养示意图。b）不同支架共培养骨髓间充质干细胞7天后的碱性磷酸酶染色结果，比例尺=500微米。c）碱性磷酸酶染色半定量分析（样本量n=3）。d）不同支架共培养骨髓间充质干细胞21天后的茜素红S染色结果，比例尺=500微米。e）茜素红S染色半定量分析（样本量n=3）。f）骨髓间充质干细胞在基质金属蛋白酶环境下经不同水凝胶处理5天、10天后成骨基因（骨形态发生蛋白2、骨钙素、 Runt相关转录因子2）的信使核糖核酸表达水平（样本量n=3）。g）骨髓间充质干细胞在基质金属蛋白酶环境下经不同水凝胶处理7天、14天后成骨蛋白（骨形态发生蛋白2、Runt相关转录因子2）的蛋白质免疫印迹分析结果。采用单因素方差分析结合图基检验计算P值，∗p < 0.05，∗∗p < 0.01，∗∗∗p < 0.001，n.s.代表无统计学差异。

图6

PEG-pp@nMSC@MT水凝胶可促使骨缺损区域内巨噬细胞由M1型向M2型极化。a）该水凝胶免疫调节功能的示意图；b）免疫荧光检测结果、c）缺损部位培养1周后巨噬细胞极化水平半定量分析（样本量n=3），比例尺=50微米；d）组织裂解液中细胞因子的信使核糖核酸表达水平（样本量n=3）；e）组织裂解液中各类细胞因子（白介素-6、肿瘤坏死因子-α、白介素-1β、白介素-10、白介素-4）分泌特征热图（样本量n=3）；f）巨噬细胞中诱导型一氧化氮合酶与甘露糖受体CD206免疫荧光染色的激光共聚焦荧光图像，g）对应免疫荧光染色半定量分析（样本量n=3），比例尺=50微米。统计学差异采用单因素方差分析结合图基检验计算，∗p＜0.05、∗∗p＜0.01、∗∗∗p＜0.001，n.s.代表无统计学差异。

总结

颌面骨再生面临咀嚼环境下的强粘附、免疫调控与靶向治疗难以兼顾的问题。作者设计了一种含间充质干细胞纳米囊泡的PEG水凝胶，利用快速酰胺化反应实现可注射和强韧粘附。加入MMP2可切割肽，使水凝胶响应缺损部位蛋白酶升高而按需释放囊泡，同时抑制过量MMP2活性。囊泡内的褪黑素被精准递送至BMMSCs，增强其成骨与免疫调节功能。三者协同促进巨噬细胞向M2极化，骨修复效果优于一线材料Bio-Oss。

该水凝胶平台的“响应释放+靶向调控”策略可拓展至其他炎症驱动的骨缺损，如类风湿性关节炎或糖尿病相关骨病。未来可替换不同的治疗性分子或细胞外囊泡，实现对不同细胞亚型的精确编程。MMP2响应模块也可改为其他蛋白酶或pH敏感肽，适应不同部位微环境。此外，结合3D打印可实现患者特异性形状匹配，进一步推动从颌面骨修复向颅骨、牙周组织等领域的临床转化。

参考文献：

DOI: 10.1016/j.bioactmat.2026.02.032