【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】自然界是一個(gè)多物種共存的生態(tài)系統(tǒng)，其中，跨物種共生是一種典型的生物學(xué)現(xiàn)象，不同種類的生物體在同一生態(tài)系統(tǒng)中互利共存。例如，綠藻與斑點(diǎn)蠑螈之間的互利過程，早期蠑螈胚胎受益于藻類光合產(chǎn)氧，藻類則有效獲取胚胎釋放的含氮廢物。跨物種共生現(xiàn)象為我們提供靈感，探索在不同細(xì)胞或物種間的相互作用，建立互利共生關(guān)系以實(shí)現(xiàn)新的功能和應(yīng)用。3D生物打印技術(shù)結(jié)合共生，通過精準(zhǔn)控制尺寸和分布，可以塑造出具有復(fù)雜功能性的跨物種活體材料，模擬多細(xì)胞組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，改善微環(huán)境并增強(qiáng)細(xì)胞相互作用，從而實(shí)現(xiàn)組織修復(fù)和功能恢復(fù)，有望解決現(xiàn)階段組織工程及再生領(lǐng)域的難題。
 

　　近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在3D生物打印跨物種細(xì)胞共生支架用于肌腱-骨重建領(lǐng)域取得新進(jìn)展。受到海洋藻類為各類生物和周圍環(huán)境提供充足氧氣及營養(yǎng)物質(zhì)的啟發(fā)，該研究團(tuán)隊(duì)提出通過跨物種共生實(shí)現(xiàn)海洋硅藻活體馴化哺乳動物細(xì)胞的理念。硅藻是一種特殊的近海藻類，具有功能性的硅質(zhì)細(xì)胞壁和自發(fā)熒光的光合色素，能夠持續(xù)釋放活性硅離子，并通過光合作用產(chǎn)生氧氣，為調(diào)節(jié)微環(huán)境、改善組織再生中細(xì)胞功能障礙提供了新思路。基于此，研究團(tuán)隊(duì)將硅藻與哺乳動物組織細(xì)胞結(jié)合，采用3D生物打印技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種硅藻活體衍生的跨物種構(gòu)建體，改善肌腱細(xì)胞微環(huán)境，促進(jìn)肌腱-骨界面損傷修復(fù)(圖1)。該研究成果以“Diatomaceous Cross-Species Constructs for Tendon-to-Bone Regeneration”為題，近日發(fā)表于國際知名期刊Materials Today(https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.12.010)，并申請發(fā)明專利一項(xiàng)。論文第一作者為上海硅酸鹽所博士生韓雅卉，通訊作者為吳成鐵研究員。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)通過3D生物打印構(gòu)建跨物種共生支架，其中，角毛藻(硅藻綱)和肌腱干/祖細(xì)胞以分層方式分布于甲基丙烯酰化明膠生物墨水中。跨物種支架具有獨(dú)特的優(yōu)勢，自發(fā)熒光便于觀察，自主光合可持續(xù)供氧，硅藻可降解的硅質(zhì)細(xì)胞壁利于硅離子釋放，通過MAPK/cAMP/晝夜節(jié)律信號通路激發(fā)肌腱干/祖細(xì)胞的成肌腱分化，為促進(jìn)肌腱-骨界面組織再生提供條件(圖2)。硅藻活體對大鼠皮下模型無急性不良反應(yīng)和毒、副作用(圖3a)。在大鼠肩袖撕裂模型中，跨物種支架在節(jié)律光照下，能夠緩解損傷部位乏氧，促進(jìn)大鼠運(yùn)動功能恢復(fù)(圖3b)。在兔肩袖撕裂模型中，由硅藻支架預(yù)培養(yǎng)分化后的肌腱支架展示出良好的肌腱-骨界面修復(fù)效果(圖3c)。這種可時(shí)空控制的跨物種構(gòu)建體得益于海洋硅藻固有的光合作用和硅離子釋放，有望用于人體工程化組織修復(fù)與再生。
 

　　相關(guān)研究獲國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科委等資助支持。
 

　　圖1. 3D生物打印載角毛藻和肌腱干/祖細(xì)胞生物墨水以構(gòu)建跨物種共生支架用于肩袖撕裂修復(fù)和運(yùn)動功能恢復(fù)。
 

　　圖2. 角毛藻的表征和跨物種支架的成腱分化。(a)角毛藻的SEM圖像、偽彩圖像、明場圖像、UV-vis光譜和自發(fā)熒光；(b)硅質(zhì)殼中硅含量測量、硅離子釋放和光合作用產(chǎn)生溶解氧含量；(c)跨物種支架的體外生物活性。
 

　　圖3. 跨物種支架的體內(nèi)安全性和修復(fù)效果。(a)角毛藻支架植入大鼠皮下的安全性；(b)跨物種支架緩解大鼠肩袖撕裂缺氧并促進(jìn)運(yùn)動功能恢復(fù)；(c)經(jīng)角毛藻支架馴化后的肌腱支架促進(jìn)兔肩袖撕裂修復(fù)。