GelMA水凝膠移植修復椎間盤退變的研究進展

胡一村，叢夢雪，藺茂強，張芮浩，陳祥義，于得臣，周海宇

1蘭州大學第二醫院骨科，蘭州730030；2甘肅省骨關節疾病研究重點實驗室；3延邊大學附屬醫院腫瘤科

下腰痛是一組以下背部、腰骶部和臀部疼痛為主要癥狀的疾病，伴或不伴下肢放射痛。近年來，下腰痛的發病率逐年上升，已成為影響人類健康的重要疾病之一。椎間盤退變（IVDD）是導致中老年人下腰痛和殘疾的主要原因。作為一種增齡相關性疾病，IVDD的發病機制尚不完全清楚，炎癥反應和細胞凋亡可能是誘發IVDD的主要原因［1-2］。因此，抑制炎癥反應或椎間盤（IVD）細胞凋亡是治療IVDD的有效措施。當出現終板炎、脊髓壓迫相關癥狀時，保守治療效果往往不明顯，大多數患者最終會選擇外科手術治療，如髓核摘除術、腰椎椎體間融合術等［3］。但外科手術有時會引起炎癥反應、骨不融合等并發癥，這些并發癥一直是臨床醫生面臨的難題［4］。甲基丙烯酸酐化明膠（Gel MA）水凝膠是一種光敏性的生物水凝膠材料，具有良好的生物相容性、機械性能可調節性、光固化性能和生物學活性等。作為新一代生物組織工程材料，GelMA水凝膠成為生物醫學應用研究的熱點，特別是在骨科領域中作為移植材料備受關注。GelMA水凝膠通過攜載干細胞、生長因子、藥物等，在促進骨融合［5］、消除IVD炎癥反應［6］和促進髓核（NP）組織再生［7］等方面發揮重要作用，為IVDD外科治療奠定了生物學基礎。本文結合文獻就GelMA水凝膠移植修復IVDD的研究進展作一綜述。

1 GelMA水凝膠概述

1.1 GelMA水凝膠生物合成 GelMA水凝膠是明膠與甲基丙烯酸酐（MA）在50℃磷酸鹽緩沖液中聚合形成的交聯網狀混合物，屬于光敏性的生物材料。明膠是膠原蛋白的水解產物，屬于細胞外基質（ECM）成分，含有許多促進細胞黏附的精氨酸—甘氨酸—天冬氨酸序列以及適合的基質金屬蛋白酶靶序列［8］。由于MA的引入，使明膠在紫外光和光固化劑存在的情況下快速聚合，這種聚合反應可以在室溫、中性pH、水環境等溫和條件下進行，并可控制反應時間［9］。GelMA水凝膠生物合成材料來源廣泛，無免疫原性，制備技術成熟以及獨特的光固化特性，被認為是攜帶靶因子治療臨床疾病的首選載體。

1.2 GelMA水凝膠生物學特征 Gel MA水凝膠具有良好的細胞生存和小分子物質附著微環境，這種微環境有利于增加細胞間信號傳遞，促進細胞增殖和維持細胞定向分化［10］。在特殊光源照射下，GelMA水凝膠被賦予了機械性能可調節性，通過擠壓式、3D打印等方法和基于已成熟的生物印刷、自組裝和微流體技術對其微加工，生成具有可受控結構的構建體，為細胞增殖和組織再生提供了3D微環境［11］。目前，GelMA水凝膠被廣泛用于細胞實驗研究，如細胞增殖、分化和遷移等［12］。

GelMA水凝膠保留了明膠出色的生物相容性和生物學活性，并且具有更高的溶解性和更低的抗原性。更重要的是，明膠與MA的聚合賦予了GelMA水凝膠光交聯特性，它可以生成甲基丙烯酰骨架，通過機械微調生成速率、酸堿度以及光照時間等方式來滿足移植治療不同疾病的需求［13］。GelMA水凝膠還可誘導間充質干細胞（MSCs）產生更多的ECM、蛋白多糖、膠原蛋白Ⅱ和氨基聚糖等，保障了細胞生長和增殖所需的營養供給，從而促進了組織修復。此外，GelMA水凝膠與天然ECM非常類似，這有利于不同類型細胞在凝膠支架內黏附、擴散和增殖［14］。總之，GelMA水凝膠的生物學特征為移植治療IVDD奠定了生物學基礎。

2 GelMA水凝膠在IVDD移植修復中的作用

近年來，組織工程移植研究發展迅速，但單純靶細胞或小分子蛋白移植存在移植物丟失或被免疫系統清除的可能，這是單純靶因子移植的最大障礙［15］。而GelMA水凝膠可搭載干細胞、骨形態發生蛋白或轉化生長因子等，能夠保證移植分子的穩定性，最大程度發揮移植物誘導成骨分化、消除炎癥反應等作用，在一定程度上解決了既往移植療法的瓶頸［16］。此外，GelMA水凝膠還可直接充當填充劑用于IVD支架的構建和骨缺損治療。

2.1 負載生長因子，促進骨融合 既往研究表明，MSCs具有向骨、軟骨等細胞分化的潛能，并且細胞獲取簡單、免疫原性低，被認為是促進骨融合最佳的種子細胞［17］。有研究報道，低水平TGF-β可通過直接刺激骨祖細胞分化為成骨細胞，還可通過形成細胞內信號轉導分子誘導成骨細胞分化，從而調控成骨細胞增殖，促進骨形成［18］。而GelMA水凝膠能夠增強細胞因子誘導MSCs向成骨細胞分化的能力。據報道，相較于14-3-3ε蛋白，GelMA水凝膠誘導人MSCs向成骨細胞分化更具優勢［19］。SUN等［20］在大鼠顱骨缺損模型中亦發現，GelMA水凝膠能夠誘導MSCs向成骨細胞分化。盡管GelMA水凝膠在人MSCs向成骨細胞分化中的具體機制尚不清楚，但GelMA水凝膠作為細胞因子載體負載MSCs，為手術治療IVDD提供了理論依據。

2.2 負載藥物，抑制炎癥反應 眾所周知，IVDD屬于炎癥相關性疾病，而炎癥微環境是其發生、發展的重要因素［21］。有研究報道，在IVD切除術后，IVD內炎癥反應可持續14 d，且炎癥微環境改變與炎癥周期呈正相關［22］。因此，準確把握炎癥反應時間、控制炎癥微環境有利于患者術后恢復。目前，消除炎癥反應的主要方法是口服或靜脈注射抗炎藥物，但IVD無血管組織，口服或靜脈注射抗炎藥物的療效甚微，并且合并胃潰瘍或高血壓的IVDD患者藥物口服還可造成胃腸道或心血管損害［23］。因此，迫切需要一種靶向輸送抗炎藥物的載體。

GelMA水凝膠可負載抗炎藥物并將其準確送至炎癥部位。LIU等［6］研究發現，通過GelMA水凝膠負載阿司匹林共移植可精準覆蓋術后炎癥灶，緩解局部炎癥反應，縮短炎癥周期，維持脊柱結構穩定。GelMA水凝膠負載抗炎藥物的優點在于它能夠將藥物直接送至炎癥灶，從而保證局部有效藥物濃度，避免口服或靜脈注射帶來的全身不良反應。隨著組織工程技術不斷發展和移植技術不斷成熟，GelMA水凝膠復合抗炎藥物移植治療IVDD將成為現實。

2.3 構建IVD適宜微環境 無論是動態還是靜態，IVD始終承受高水平的縱向和水平機械應力［24］。NP在脊柱的軸向負荷中具有重要作用，它能在相鄰椎體之間均勻地分配壓力，而纖維環能夠很好地保存NP的膠體成分，從而維持NP的位置和形態，以保證整個IVD的負重和軸承作用。目前，學者們一致認為通過早期植入類NP結構，有助于緩沖NP承載的機械壓力，但由于IVDD導致IVD結構被破壞，機械性能發生改變，移植細胞的存活率較低。而具有高含水量和流體加壓特性的GelMA水凝膠能夠方便營養物質和氧氣滲透，為NP細胞生長和增殖提供了良好的IVD微環境［25］。

NP組織作為具有特殊免疫功能的解剖區，允許MSCs增殖、分化及ECM生成。研究發現，通過改變MA比例，可有效控制GelMA水凝膠的生物學特性，達到NP細胞再生的IVD微環境［26］。已知5%GelMA水凝膠的交聯密度更低，篩孔尺寸更大，其機械和水合特性與天然NP組織類似，這一濃度的GelMA水凝膠有利于維持細胞增殖以及聚集蛋白聚糖和膠原蛋白Ⅱ表達。通過GelMA水凝膠的可注射特點，利用微創方法將干細胞輸送至IVD內，可有效恢復NP組織功能，加速ECM合成，從而緩解IVDD的臨床癥狀。

此外，水凝膠還可抑制NP細胞變性。當NP細胞集中在水凝膠表面生長時，細胞增殖不會發生明顯變化。XU等［26］合成了一種具有可調節機械和水合特性的光交聯GelMA水凝膠，NP細胞可與這種水凝膠有效結合，并且隨著GelMA水凝膠濃度增加，封裝的NP細胞存活、增殖和ECM沉積逐漸減少，與在水凝膠表面生長的NP細胞正好相反。也有學者發現，接受水凝膠和MSCs聯合注射的IVD高度指數以及組織學狀況得到顯著改善［27］。這些結果表明，水凝膠是構建NP組織工程和修復內源性NP細胞的有力候選者。

2.4 水凝膠3D打印仿生IVD NP組織摘除后的IVD結構遭到破壞，生物應力降低，相鄰椎體節段和IVD后部應力發生改變，這會造成脊柱不穩。基于GelMA水凝膠特殊的生物學性能，通過水凝膠3D構建替代摘除的NP組織可能會改善上述問題。范少勇等［28］研究證實，水凝膠可替代豬IVD的NP組織，移植水凝膠替代摘除的NP組織，IVD顯示出了良好的黏彈特性，且生物力學性能穩定。此外，PEREZSAN VICENTE等［29］將包含造影劑的水凝膠注入牛離體模型NP腔中，在不同頻率下進行軸向壓縮—拉伸循環測試，結果發現水凝膠移植后的IVD顯示出了良好的生物力學性能，這為水凝膠的臨床應用奠定了基礎。

現階段手術治療IVDD對脊柱局部應力和活動性能的影響不容忽視，亟需尋找IVD損傷后合適的替代材料。有研究發現，GelMA水凝膠可滿足特定的組織需求，如由心肌特定的ECM和祖細胞組成的生物打印“心臟補丁”可用于心臟疾病治療［30］。UYANIKLAR等［31］設計了一種混合的角膜基質構建體用于角膜移植，其療效確切。目前，GelMA水凝膠在臨床器官移植領域中的應用越來越廣泛，通過GelMA水凝膠3D構建椎間系統用于IVDD治療將成為臨床研究的熱點。

3 GelMA水凝膠的臨床應用價值

目前，GelMA水凝膠不僅在整形美容、心臟疾病和眼科疾病等領域得到逐步應用，其在單細胞研究、細胞信號傳導、藥物和基因傳遞以及生物傳感方面亦表現出一定的應用前景。首先，GelMA水凝膠支架的孔隙和對滲出液的吸收能力，使其負載特定制劑（如氧化石墨烯）可用于功能性傷口愈合，這為臨床治療慢性創傷提供了一種新的治療方案［32］。其次，由于GelMA水凝膠的生物相容性和機械性能可調節性以及自身存在的生物活性肽序列，使其可在2D或3D實驗中充當活性細胞培養基材料，亦可模擬動物體內的微環境。ANTUNES等［33］將人上皮性卵巢癌細胞封裝在GelMA水凝膠中培養時發現，卵巢癌細胞顯示出高水平的代謝率和球狀體形態，有望節約實驗成本。隨著GelMA水凝膠在臨床上進一步應用，將為更多疾病的治療帶來希望。

盡管GelMA水凝膠在醫學領域中的應用價值得到學者們廣泛認可，但亦存在諸多問題亟需解決。第一，細胞黏附和增殖受GelMA水凝膠濃度、劑量的影響明顯，不利于多類型細胞在同一基質中共培養。第二，體外純GelMA水凝膠降解速度較快，不能滿足細胞增殖時間較長的要求。有學者認為，在IVD中度退行性階段可能是水凝膠移植治療IVDD的最佳時間，但由于此時臨床癥狀較輕，臨床實施難度較大。第三，雖然GelMA水凝膠負載NP細胞作為IVD支架有助于退變IVD的修復，但當NP和纖維環同時遭受損傷時，單一NP細胞移植效果不佳，模擬IVD內的細胞再生和基質結構以及復雜結構的功能仍然是一項嚴峻的挑戰。最后，雖然Gel MA水凝膠已逐步用于治療心臟疾病和創口愈合等，但在IVD領域的研究主要集中于體外細胞實驗，其臨床應用尚缺乏統一的標準。因此，進一步優化GelMA水凝膠的生物學特性和制定規范的操作標準是目前亟待解決的問題。

綜上所述，GelMA水凝膠既可作為攜帶生長因子的載體，誘導成骨分化，促進骨愈合，又可通過負載藥物抑制IVD炎癥反應，減少術后并發癥的發生。同時，GelMA水凝膠還可負載IVD細胞，從而有效補充外科手術過程中丟失的IVD細胞和細胞外基質成分。此外，GelMA水凝膠還能構建IVD適宜微環境，3D打印IVD，從而形成IVD移植的組織再生支架。因此，GelMA水凝膠移植有可能成為外科治療IVDD的有效手段。