案例分(fēn)享 — Micro CT 在骨修複中(zhōng)的應用(yòng)
加拿(ná)大不列颠哥(gē)倫比亞大學(xué)李宏斌教授團隊和南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院蔣青教授團隊合作(zuò)的研究成果 "Cartilage-like protein hydrogels engineered via entanglement" 曾在學(xué)術期刊 NATURE 上成功發表 [1]，第一作(zuò)者為(wèi)不列颠哥(gē)倫比亞大學(xué)傅淩岚博士， 南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院李瀾博士為(wèi)共同一作(zuò)。海斯菲德(dé)公(gōng)司的 Micro CT 産(chǎn)品（産(chǎn)品型号：Hiscan XM） 在論文(wén)中(zhōng)提供了水凝膠對軟骨下骨修複效果的重要分(fēn)析圖像。
水凝膠是一種高分(fēn)子網絡，它由三維網狀交聯結構構成，具(jù)有(yǒu)很(hěn)強的親水性。其中(zhōng)，蛋白質(zhì)水凝膠憑借其基因可(kě)編程特性和優異的生物(wù)相容性，在組織工(gōng)程、藥物(wù)釋放、再生醫(yī)學(xué)等領域都具(jù)有(yǒu)廣闊的應用(yòng)前景。然而，蛋白質(zhì)水凝膠的機械性能(néng)差，在模拟高強度承重組織的應用(yòng)中(zhōng)受到極大限制，因此如何制備具(jù)有(yǒu)高硬度的蛋白質(zhì)水凝膠已經成為(wèi)國(guó)内外研究的熱點。
針對上述問題，李宏斌教授和蔣青教授團隊近期提出了一種方法，該方法能(néng)夠顯著提高蛋白質(zhì)水凝膠的硬度而不影響其韌性。研究發現，由膠原和蛋白多(duō)糖組成的纏繞網絡，使關節軟骨具(jù)有(yǒu)高硬度和高韌性。結合這一點，該研究團隊采用(yòng)了鏈狀纏結的方法解決了蛋白質(zhì)水凝膠機械性能(néng)差的痛點。
介紹
人體(tǐ)内的承重組織，如肌肉和軟骨，表現出高彈性、高韌性和快速恢複。目前的蛋白質(zhì)水凝膠技(jì )術在模拟肌肉等軟承重組織的機械性能(néng)方面取得了相當大的成功。但是，軟骨比肌肉要堅硬得多(duō)，現有(yǒu)的技(jì )術并不能(néng)制備出同等硬度的蛋白質(zhì)水凝膠。研究發現，由于關節軟骨中(zhōng)的鏈纏結結構在聚合物(wù)網絡中(zhōng)是 “可(kě)移動的”，并允許機械能(néng)在許多(duō)長(cháng)鏈中(zhōng)消散，這樣鏈纏結可(kě)以使聚合物(wù)網絡變硬但不會變脆。關節軟骨正是通過這種纏繞網絡來實現高硬度、高韌性和快速恢複的獨特力學(xué)特征。基于此，該研究團隊在研究中(zhōng)采用(yòng)了類似的鏈式糾纏物(wù)理(lǐ)機制來制備高硬度、高韌性的蛋白質(zhì)水凝膠。
實驗方法
圖 1.1 水凝膠的鏈狀纏繞網絡結構示意圖
圖 1.1 (a) 中(zhōng)展示的是天然蛋白質(zhì)濃縮液經過化學(xué)變性後得到的未折疊的蛋白質(zhì)濃縮液。(FL) 8 是水凝膠制備的前驅體(tǐ)，它由八個鐵氧還蛋白樣蛋白 (Ferredoxin-like protein, FL) 單元串聯而成。然後使用(yòng)鹽酸胍溶液對 (FL) 8 進行變性，使其變成未折疊狀态，未折疊的 (FL) 8 多(duō)肽鏈在濃縮蛋白質(zhì)溶液中(zhōng)可(kě)能(néng)相互重疊，導緻可(kě)能(néng)的鏈纏結。光交聯 (Denatured crosslinking, DC) 後，鏈纏結保留在水凝膠中(zhōng)，形成 D-DC 水凝膠。進而，通過複性 (FL) 8 可(kě)以得到 N-DC 水凝膠，其中(zhōng)鏈纏結仍然存在，如圖 1.1 (b) 所示，虛線(xiàn)正方形突出顯示了鏈纏結的形狀。
該研究團隊經過嚴謹的實驗證明，N-DC 水凝膠具(jù)有(yǒu)高硬度和良好的拉伸性，同時表現出驚人的韌性，可(kě)以抵抗鋒利的手術刀(dāo)切割。
圖 1.2 硬性水凝膠的軟骨修複效果示意圖
為(wèi)了探索這些堅韌的 N-DC 水凝膠在修複骨軟骨缺損等方面的應用(yòng)潛力，作(zuò)者将較硬的 N-DC 水凝膠和軟性水凝膠同時植入兔子體(tǐ)内，并于移植後 4、8、12 周評價修複效果。為(wèi)了有(yǒu)效評估修複效果，作(zuò)者使用(yòng)了本公(gōng)司的 Micro-CT 産(chǎn)品對上述三組的軟骨進行掃描和重建。本公(gōng)司的 Hiscan XM Micro-CT System 是一款集離體(tǐ)掃描和活體(tǐ)掃描于一體(tǐ)的 Micro-CT，最高分(fēn)辨率可(kě)達 4µm。重建結果如圖 1.2 所示，左側第一列為(wèi)對照組，中(zhōng)間第二列為(wèi)軟性水凝膠組，右側第三列為(wèi)硬性水凝膠組。不難發現，硬性水凝膠組在移植後 12 周可(kě)見明顯的軟骨下骨修複，而對照組和軟性水凝膠組未見明顯修複。同時，這兩組的軟骨缺損處充填着不規則的凹陷性再生組織，與周圍的軟骨有(yǒu)明顯區(qū)别。相比之下，硬性水凝膠組的再生組織被光滑的膜覆蓋，更接近天然軟骨。
讨論結果
總結來說，該研究團隊展示了一種新(xīn)型的蛋白質(zhì)水凝膠制備方法，這種方法能(néng)夠兼顧蛋白質(zhì)水凝膠硬度和韌性，其中(zhōng)的關鍵是将鏈纏結引入到折疊的球狀蛋白網絡中(zhōng)，以解決剛度和韌性之間的不相容問題。一方面，鏈的纏繞增強了水凝膠的硬度，而不會使網絡變脆。另一方面，球狀蛋白在強制展開時可(kě)以有(yǒu)效地消耗能(néng)量，而重新(xīn)折疊時可(kě)以快速恢複。這些效應協同作(zuò)用(yòng)，将高硬度、高韌性、快速恢複和高壓縮強度的特性整合到蛋白質(zhì)水凝膠中(zhōng)。此外，該方法還具(jù)備普遍性，也說明這種蛋白質(zhì)水凝膠将發揮出巨大的應用(yòng)潛力。毋庸置疑，該團隊的研究在生物(wù)醫(yī)學(xué)工(gōng)程領域開辟了一條令人興奮的道路。
參考文(wén)獻：
[1]Fu, L., Li, L., Bian, Q. et al. Cartilage-like protein hydrogels engineered via entanglement. Nature 618, 740–747 (2023).
