【儀表網 研發快訊】自然界是一個多物種共存的生態系統，其中，跨物種共生是一種典型的生物學現象，不同種類的生物體在同一生態系統中互利共存。例如，綠藻與斑點蠑螈之間的互利過程，早期蠑螈胚胎受益于藻類光合產氧，藻類則有效獲取胚胎釋放的含氮廢物。跨物種共生現象為我們提供靈感，探索在不同細胞或物種間的相互作用，建立互利共生關系以實現新的功能和應用。3D生物打印技術結合共生，通過精準控制尺寸和分布，可以塑造出具有復雜功能性的跨物種活體材料，模擬多細胞組織的復雜結構，改善微環境并增強細胞相互作用，從而實現組織修復和功能恢復，有望解決現階段組織工程及再生領域的難題。
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員帶領研究團隊在3D生物打印跨物種細胞共生支架用于肌腱-骨重建領域取得新進展。受到海洋藻類為各類生物和周圍環境提供充足氧氣及營養物質的啟發，該研究團隊提出通過跨物種共生實現海洋硅藻活體馴化哺乳動物細胞的理念。硅藻是一種特殊的近海藻類，具有功能性的硅質細胞壁和自發熒光的光合色素，能夠持續釋放活性硅離子，并通過光合作用產生氧氣，為調節微環境、改善組織再生中細胞功能障礙提供了新思路。基于此，研究團隊將硅藻與哺乳動物組織細胞結合，采用3D生物打印技術，設計了一種硅藻活體衍生的跨物種構建體，改善肌腱細胞微環境，促進肌腱-骨界面損傷修復(圖1)。該研究成果以“Diatomaceous Cross-Species Constructs for Tendon-to-Bone Regeneration”為題，近日發表于國際知名期刊Materials Today(https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.12.010)，并申請發明專利一項。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。
研究團隊通過3D生物打印構建跨物種共生支架，其中，角毛藻(硅藻綱)和肌腱干/祖細胞以分層方式分布于甲基丙烯酰化明膠生物墨水中。跨物種支架具有獨特的優勢，自發熒光便于觀察，自主光合可持續供氧，硅藻可降解的硅質細胞壁利于硅離子釋放，通過MAPK/cAMP/晝夜節律信號通路激發肌腱干/祖細胞的成肌腱分化，為促進肌腱-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和毒、副作用(圖3a)。在大鼠肩袖撕裂模型中，跨物種支架在節律光照下，能夠緩解損傷部位乏氧，促進大鼠運動功能恢復(圖3b)。在兔肩袖撕裂模型中，由硅藻支架預培養分化后的肌腱支架展示出良好的肌腱-骨界面修復效果(圖3c)。這種可時空控制的跨物種構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與再生。
相關研究獲國家重點研發計劃、國家自然科學基金、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/祖細胞生物墨水以構建跨物種共生支架用于肩袖撕裂修復和運動功能恢復。
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光譜和自發熒光；(b)硅質殼中硅含量測量、硅離子釋放和光合作用產生溶解氧含量；(c)跨物種支架的體外生物活性。
圖3. 跨物種支架的體內安全性和修復效果。(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運動功能恢復；(c)經角毛藻支架馴化后的肌腱支架促進兔肩袖撕裂修復。
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