吳成鐵教授團(tuán)隊：3D打印多細(xì)胞微圖案化支架用于毛發(fā)和血管再生

來源：EngineeringForLife

皮膚中毛囊功能異常會導(dǎo)致脫發(fā)從而影響個人的生活質(zhì)量。為了實現(xiàn)毛囊功能的恢復(fù)，需要開發(fā)新的方法應(yīng)用于復(fù)雜的皮膚結(jié)構(gòu)。近日，來自中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所吳成鐵教授團(tuán)隊進(jìn)行了3D打印多細(xì)胞微圖案化支架用于毛發(fā)和血管再生的相關(guān)研究。研究成果以“3D multicellular micropatterning biomaterials for hair regeneration and vascularization”為題于6月28日發(fā)表在《Materials Horizons》上。

本研究通過生物打印技術(shù)，將與毛囊相關(guān)的細(xì)胞有序分布在網(wǎng)絡(luò)間隔中，從而形成一個三維多細(xì)胞微圖案。穩(wěn)定的仿生微圖案結(jié)構(gòu)結(jié)合硅酸鎂（MS）納米材料，該3D多細(xì)胞微圖案在體外明顯促進(jìn)毛囊和血管再生。在免疫缺陷小鼠和雄性激素性脫發(fā)（AGA）小鼠模型的皮膚組織再生過程中，含有MS的3D多細(xì)胞微圖案有助于實現(xiàn)高效毛發(fā)再生。因此，本研究提出了一種新型的3D微圖案多細(xì)胞系統(tǒng)，該仿生微結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)細(xì)胞與細(xì)胞之間的相互作用，可用于皮膚重建期間的毛發(fā)再生。

本文從以下5方面進(jìn)行系統(tǒng)表征：

1. 硅酸鎂（MS）納米球的制備和表征

2. 3D生物打印多細(xì)胞微圖案支架制造和特征。

3. 3D生物打印多細(xì)胞微圖案支架體外生物活性

4. 裸鼠體內(nèi)皮膚組織再生和毛囊重建

5. 體內(nèi)毛囊激活促進(jìn)雄性激素性脫發(fā)（AGA）小鼠的毛發(fā)再生

圖1 硅酸鎂（MS）空心納米球表征

通過模板合成具有空心結(jié)構(gòu)的硅酸鎂（MS）納米球，SEM可以發(fā)現(xiàn)MS納米球直徑約為400nm。X射線衍射（XRD）也可以發(fā)現(xiàn)其結(jié)晶度較低，此外，通過透射電子顯微鏡（TEM）觀察MS納米球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)其具有一致的外殼厚度，由納米片形態(tài)覆蓋的粗糙的外表面。能量色散光譜（EDS）結(jié)果表明MS納米球內(nèi)部鎂、硅和氧元素均勻分布。

圖2 HUVECs和HHDPCs在3D生物打印多細(xì)胞微圖案支架中空間分布和生存能力

通過共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）可以觀察到多細(xì)胞支架的微圖案結(jié)構(gòu)。紅色熒光的HUVECs排列形成一個血管框架，綠色熒光的HHDPCs呈現(xiàn)出類似毛囊的分散分布。由HUVECs和HHDPCs排列而成的微圖案結(jié)構(gòu)，包含了皮膚組織結(jié)構(gòu)的血管網(wǎng)絡(luò)和毛囊，在體外培養(yǎng)過程中保持穩(wěn)定。細(xì)胞活死實驗用來檢測多細(xì)胞微圖案支架培養(yǎng)21天后的細(xì)胞活力。嵌入Co-GM、Co-2MS-GM和Co-4MS-GM支架的HUVECs以及HHDPCs在長期培養(yǎng)過程中具有高生存能力。相比之下，Co-6MS-GM微圖案多細(xì)胞支架中的死細(xì)胞數(shù)量明顯增加，定量統(tǒng)計結(jié)果也表明，Co-GM和Co-2MS-GM支架中的細(xì)胞存活率在21天內(nèi)從85%上升到95%以上。同時，Co-4MS-GM支架的細(xì)胞存活率在培養(yǎng)初期約為70%，然后在第21天增加到85%。但是Co-6MS-GM支架的細(xì)胞密度一直很低（低于30%），證明MS含量越高對細(xì)胞活力越有不利影響。

圖3 雄性激素性脫發(fā)（AGA）C57BL/6小鼠體內(nèi)皮膚修復(fù)和毛發(fā)再生

雄性激素性脫發(fā)（AGA）是一種以脫發(fā)和毛囊變性為特征的慢性疾病。為了驗證MS和HUVEC-HHDPC微圖案化在組織再生過程中具有誘導(dǎo)毛發(fā)再生的潛力，研究人員在C57BL/6小鼠身上建立AGA模型。結(jié)果顯示40天后，空白組和GM組也能觀察到很少的新生毛發(fā)，Co-2MS-GM組傷口恢復(fù)率優(yōu)于其他組。此外，用Co-2MS-GM治療的小鼠在第15天由于黑色素生成而出現(xiàn)色素沉著，在第40天重新長出大量的毛發(fā)。接著對傷口部位進(jìn)行HE染色，結(jié)果也顯示Co-2MS-GM組有大量毛囊生成。對新形成的毛發(fā)進(jìn)行SEM和直徑統(tǒng)計分析顯示Co-2MS-GM組再生的毛發(fā)具有完整的鱗片，比其他組的毛發(fā)更粗。Ki67免疫組化圖像也表明高度活躍的毛囊密集分布在Co-2MS-GM組的再生皮膚組織中，表明Co-2MS-GM支架可以增強(qiáng)生長期相關(guān)細(xì)胞的增殖?？傊瓹o-2MS-GM支架對促進(jìn)毛囊重建和毛發(fā)生長具有較強(qiáng)效果，3D生物打印多細(xì)胞微圖案支架在治療AGA方面擁有巨大潛力。

總結(jié)與展望
本文開發(fā)了一種3D生物打印多細(xì)胞微圖案化支架，在皮膚再生過程中可以誘導(dǎo)毛囊重建和血管再生。兩種類型的皮膚細(xì)胞（血管內(nèi)皮細(xì)胞和真皮乳頭細(xì)胞）以微圖案的方式排列，模擬天然皮膚組織中的血管網(wǎng)絡(luò)和毛囊分布。這種模式化的排列方式可以模擬細(xì)胞的三維環(huán)境，增強(qiáng)HUVEC-HHDPC的相互作用。此外，MS納米球嵌入微圖案化基質(zhì)中，作為一種有效刺激物來增強(qiáng)血管和毛囊的再生。生物仿生結(jié)構(gòu)和細(xì)胞調(diào)節(jié)功能的結(jié)合使三維多細(xì)胞微圖案支架具有顯著的促血管再生和毛囊重建的能力?？傊狙芯刻岢隽艘环N新的細(xì)胞微圖案化的生物仿生重建策略，用于毛發(fā)再生和皮膚功能恢復(fù)。

文章來源：
https://doi.org/10.1039/D3MH00528C