骨骼干細胞外泌體裝備3D打印仿生支架修復骨軟骨缺損

來源：EFL生物3D打印與生物制造

骨軟骨缺損（OCDs）因軟骨無血管特性、結(jié)構(gòu)復雜性及自我修復能力有限，成為臨床難題，傳統(tǒng)間充質(zhì)干細胞（MSCs）療法受細胞異質(zhì)性和免疫原性限制，修復效果不足。來自中南大學湘雅醫(yī)院的呂紅斌教授、曹勇副研究員利用單細胞RNA測序（ScRNA-seq）從人髕下脂肪墊（IFP）中鑒定出高軟骨分化潛能的骨骼干細胞（SSCs），提取其外泌體（SSC-Exos）并負載于3D打印仿生水凝膠支架。該支架通過釋放SSC-Exos中的miR-214-3p抑制JAG2信號通路，顯著促進骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）軟骨分化，在大鼠OCD模型中實現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨與軟骨下骨一體化再生。相關(guān)工作以“3D-printed advanced scaffold armed with exosomes derived from human skeletal stem cell identified by single-cell RNA sequencing enhances osteochondral regeneration”為題發(fā)表在《Bioactive Materials》上。

負載骨骼干細胞外泌體的仿生 3D 打印支架構(gòu)建及其用于骨軟骨再生的示意圖。

1. 單細胞RNA測序鑒定人髕下脂肪墊骨骼干細胞亞群，通過單細胞RNA測序（ScRNA-seq）和無監(jiān)督聚類分析，研究人髕下脂肪墊（IFP）及皮下脂肪組織（SAT）的細胞異質(zhì)性。結(jié)果顯示，IFP中存在高表達PDPN、CD73、CD164的骨骼干細胞（SSCs）亞群，其分化狀態(tài)更低（CytoTRACE評分更低），軟骨生成相關(guān)通路（如SOX9、COL2A1）活性顯著高于SAT來源細胞，且IFP-SSCs的軟骨分化潛能通過Alcian Blue染色和qPCR驗證優(yōu)于SAT細胞。      

圖1. 通過單細胞RNA測序鑒定骨骼干細胞亞群。

2. 骨骼干細胞外泌體（SSC-Exos）的分離與功能驗證，利用流式細胞術(shù)分選IFP-SSCs并提取外泌體，通過透射電鏡（TEM）、納米顆粒追蹤分析（NTA）和Western blotting表征其形態(tài)（杯狀，粒徑40–160 nm）及標志物（CD81、TSG101、CD63陽性，Calnexin陰性）。功能實驗表明，SSC-Exos可被骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）高效攝?。≒KH26標記顯示紅色熒光聚集于胞質(zhì)），顯著上調(diào)軟骨分化標志物SOX9、COL2、ACAN的mRNA和蛋白表達，且其促分化效果優(yōu)于脂肪間充質(zhì)干細胞外泌體（ADSC-Exos）。      

圖2. 骨骼干細胞外泌體的制備與表征。

3. 3D打印仿生水凝膠支架的制備與性能分析，采用紫外光固化3D打印技術(shù)構(gòu)建負載SSC-Exos的GelMA支架，通過掃描電鏡（SEM）觀察到支架具有多孔互連結(jié)構(gòu)（孔徑約100–200 μm），能量色散光譜（EDS）證實外泌體均勻分布于支架內(nèi)部。流變學測試顯示，支架儲存模量（G'）在紫外固化后穩(wěn)定高于損耗模量（G''），具備剪切變稀特性；體外釋放實驗表明，SSC-Exos可持續(xù)釋放28天，累計釋放率約80%。      

圖 3. 骨骼干細胞外泌體的體外軟骨形成特性。

4. 支架在大鼠骨軟骨缺損模型中的修復效果，在大鼠股骨滑車缺損模型中植入SSC-Exos支架，通過大體觀察、micro-CT和組織學染色（H&E、Safranin O/Fast Green、Masson’s Trichrome）評估修復效果。結(jié)果顯示，術(shù)后8周時，SSC-Exos支架組缺損被新生透明軟骨樣組織完全填充，軟骨下骨骨體積/總體積（BV/TV）和骨小梁數(shù)量（Tb.N）顯著高于對照組（*P < 0.001*），且免疫組化顯示COL II和ACAN表達接近正常軟骨水平。      

圖4. 負載骨骼干細胞外泌體的3D打印仿生水凝膠支架的表征。   

5. miR-214-3p/JAG2信號軸調(diào)控機制研究，通過miRNA測序篩選出SSC-Exos中高表達的miR-214-3p，熒光素酶報告實驗證實其直接靶向JAG2 mRNA的3'非翻譯區(qū)（3'UTR）。功能缺失實驗顯示，抑制miR-214-3p（miR-214-3pIN-Exos）可減弱SSC-Exos對BMSCs的促軟骨分化作用，而JAG2過表達則逆轉(zhuǎn)該效應，提示miR-214-3p通過抑制Notch信號通路配體JAG2，促進BMSCs向軟骨細胞分化。   

圖5. 外泌體的體內(nèi)釋放及修復后骨軟骨缺損的成像分析。

6. 組織修復的長期安全性與免疫原性評估，通過H&E染色觀察心、肝、脾、肺、腎等主要器官，結(jié)果顯示SSC-Exos支架組無明顯炎癥細胞浸潤或組織損傷，證實支架具有良好的生物相容性和低免疫原性。此外，長期跟蹤（8周）未觀察到腫瘤形成或異常組織增殖。      

圖6. 術(shù)后4周和8周時不同組修復組織的組織學評估。

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了一種基于單細胞RNA測序篩選的人髕下脂肪墊骨骼干細胞外泌體（SSC-Exos）負載3D打印仿生水凝膠支架的骨軟骨再生策略。通過調(diào)控miR-214-3p/JAG2信號軸，SSC-Exos顯著促進骨髓間充質(zhì)干細胞軟骨分化，其搭載的3D支架通過多孔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)外泌體持續(xù)釋放，在大鼠骨軟骨缺損模型中實現(xiàn)了關(guān)節(jié)軟骨與軟骨下骨的一體化再生。組織學和影像學結(jié)果顯示，術(shù)后8周修復組織接近正常結(jié)構(gòu)，軟骨特異性標志物COL II和ACAN表達顯著上調(diào)。該系統(tǒng)結(jié)合外泌體的生物活性與3D打印的定制化優(yōu)勢，為骨軟骨缺損提供了無細胞、高安全性的修復方案，其多通道調(diào)控機制有望為再生醫(yī)學領(lǐng)域提供新的思路。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2025.04.028