近期,来自中国人民解放军联勤保障部队第941医院的周鹏教授和南通大学附属医院的陶然教授团队在Regenerative Biomaterials杂志发表了题为“Injectable exosome-reinforced konjac glucomannan composite hydrogel for repairing cartilage defect: activation of endogenous antioxidant pathways”的科研论文,IF=8.1。
研究背景:
软骨损伤(Articular cartilage injury)是一种常见的疾病,主要由创伤、关节炎或运动损伤引起。由于软骨组织缺乏血管和神经,其自我修复能力非常有限,一旦发生损伤,通常会引发炎症反应与氧化应激。软骨损伤后的炎症反应会引发局部高浓度的氧自由基(ROS),直接损害细胞外基质并诱导细胞氧化应激、DNA损伤,加速软骨基质的降解。因此,优化微环境和促进内源性再生过程对于有效的软骨修复至关重要。目前的临床治疗方法主要包括物理治疗、非甾体抗炎药(NSAIDs)、关节内注射等。这些方法虽然可以在一定程度上缓解症状,但无法从根本上促进软骨的再生和修复。同时,这些治疗方法在长期应用中可能会导致胃肠道不适、肝肾功能损害等。研究发现魔芋葡甘露聚糖(KGM)和多酚(EGCG)因其良好的生物相容性和抗氧化特性,被认为在软骨修复中具有潜在的应用价值;同时干细胞来源的外泌体(Exos)在促进软骨细胞增殖、基质分泌和抗凋亡方面显示出显著的潜力。因此,将外泌体与生物材料结合,有望进一步增强软骨修复的效果。本研究开发了一种基于魔芋葡甘露聚糖(KGM)负载干细胞来源的外泌体(Exos)的可注射水凝胶(Exos@EKM),旨在开发一种新型的、有效的软骨修复材料,为临床治疗软骨损伤提供新的策略。
研究成果及意义:
在本研究中,作者首先通过甲基丙烯酸酐(MA)修饰KGM,使其具有光固化特性(KGMMA),并进一步与多酚(EGCG)结合形成EKM。接着作者通过紫外线交联形成水凝胶,并对其进行了详细的化学和物理特性表征,包括核磁共振(NMR)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、流变学性质和机械性能测试。结果显示EKM水凝胶具有良好的注射性和凝胶化能力,均匀的多孔微观结构,良好的机械稳定性和生物相容性。而后作者使用本公司的试剂盒从骨髓间充质干细胞(BMSCs)中提取外泌体,并通过TEM、NTA和Western Blot等方法对其进行了表征。结果发现BMSCs来源的外泌体呈茶托型结构,平均粒径大小为126.6 nm,表面标志物Alix、TSG101和CD9都可以检测到,证实了外泌体被成功分离。为了评估EKM水凝胶对软骨细胞和BMSCs增殖的影响,作者通过CCK-8实验、活死细胞染色和流式细胞术等方法验证了其生物相容性。结果显示EKM水凝胶显著促进了软骨细胞和BMSCs的增殖,并且在250μg/ml的外泌体浓度下,对软骨细胞基质分泌和细胞活性的影响最为显著。为了研究Exos@EKM水凝胶在氧化应激微环境中对软骨细胞的保护作用,作者研究了ROS水平、线粒体膜电位、细胞凋亡和NRF2信号通路的激活。结果发现Exos@EKM水凝胶显著降低了氧化应激条件下软骨细胞中的ROS水平,减轻了线粒体去极化,减少了细胞凋亡,并通过激活NRF2信号通路增强了细胞的抗氧化能力。最后作者构建了大鼠全层软骨缺损模型并通过组织学染色、免疫组化分析和Micro-CT等方法评估了Exos@EKM水凝胶的软骨修复效果。结果显示在大鼠全层软骨缺损模型中,Exos@EKM水凝胶显著促进了软骨再生,恢复了关节表面的完整性,并通过激活NRF2信号通路和调节巨噬细胞极化,减少了炎症反应,改善了关节功能。
综上所述,作者认为Exos@EKM水凝胶通过结合KGM的抗氧化特性和EGCG的抗氧化能力,以及负载的外泌体,在体外和体内实验中均显示出对软骨细胞的保护作用和促进软骨再生的能力。Exos@EKM水凝胶通过激活NRF2信号通路,增强了软骨细胞的内源性抗氧化能力。Exos@EKM水凝胶能够调节巨噬细胞的极化,从促炎的M1表型向抗炎的M2表型转变,减少了炎症反应,为软骨修复提供了有利的微环境。Exos@EKM水凝胶通过“清除-激活-递送-调节”的多维机制,有效改善了软骨损伤微环境,促进了软骨再生和关节功能恢复。本研究开发的水凝胶(Exos@EKM)具有多重优势,同时实现了物理支撑、抗氧化、抗炎、递送生物活性因子(Exos) 和激活细胞内源性修复能力等多种功能,这种设计避免了多种制剂联合使用的复杂性,提高了治疗效率和可操作性。为临床治疗软骨损伤提供了一种安全、有效的新型生物材料,这种材料的开发有望推动软骨修复领域的临床应用,改善患者的预后。
该研究中使用本公司的细胞上清外泌体提取纯化试剂盒(货号:UR52121)对骨髓间充质干细胞来源的外泌体进行提取纯化,结果符合各检测指标要求,满足了客户下游实验需求。
参考文献:
Injectable exosome-reinforced konjac glucomannan composite hydrogel for repairing cartilage defect: activation of endogenous antioxidant pathways. Regenerative Biomaterials. 2025 Jun 17;12:rbaf060.
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