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  組織工程支架（Tissue engineering scaffolds）在組織醫學和干細胞治療中發揮著關鍵作用。采用傳統手術進行的支架移植常伴隨著大型開放式手術和術后感染等問題，直接影響患者生活。微創手術具有減少患者痛苦，操作方便，提高臨床安全性等優勢，近年來迅速發展。以聚合物水凝膠和微球為代表的可注射生物材料是目前最佳的微創手術使用的細胞載體。但大部分水凝膠是一種流體填充劑，缺少細胞生長所需的三維空間。而傳統的聚合物微球的表面光滑，也沒有為細胞增殖提供足夠的內部空間。進行注射操作時，包埋或附著在水凝膠中或微球表面的細胞將面對不同的壓力和摩擦，這些傷害可誘導細胞破裂或凋亡，降低細胞治療的效果。

  針對上述困難，清華大學的陳國強教授團隊利用生物材料聚羥基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoate, PHA）和氣-水乳化技術（gas-in-oil-in-water double emulsion），設計出一種直徑為300–360 μm的可注射開放式多孔微球（Open porous microsphere, OPM），可作為細胞生長和運輸的微載體（microcarrier）。PHA-OPM具備了PHA良好的生物相容性、微球的可注射性和組織工程支架的開放式三維空間結構的三重優勢，是一種特殊的球狀的三維培養載體。其特殊的開放式多孔結構能在體外培養時幫助細胞向內生長；在注射運輸過程中起到支撐作用，保護微球內部的細胞免于擠壓和摩擦；并能實現動物體內釋放細胞和組織修復的目的（圖1）。由于PHA-OPM的操作原理和治療目和圣經中諾亞方舟（躲避災害將生命的火種運輸到新大陸）的故事很相似，所以PHA-OPM也被形象地稱為細胞的微型諾亞方舟（Micro-Noah''s Ark for cells）。該成果有望為再生醫學、微創手術及干細胞治療提供一種新的工具。

圖1. 細胞的微型諾亞方舟——聚羥基脂肪酸酯開放式多孔微球（PHA-OPM）及其的治療方法

  通過接種人來源的骨髓間充質干細胞（hMSC），該團隊發現PHA-OPM 的細胞接種率高達93.4%,遠高于傳統微球（PHA-HM）；在10天的體外培養測試中，接種于PHA-OPM細胞能持續增長，而對照組PHA-HM的細胞培養至第7天出現大量凋亡，甚至細胞死亡的現象（圖2a）。 通過激光共聚焦顯微鏡等結果證實：待細胞生長至7天時，傳統微球表面的空間已經完全被占用，無法滿足細胞進一步生長的需求，而PHA-OPM還可提供大量的內部三維空間，有利于細胞的擴展和遷移（圖2b-e）。

圖2. PHA-OPM與傳統微球PHA-HM的細胞增殖實驗對比

  通過該團隊自創的魏氏冷凍有序切割法（WEI Frozen Orderly Section）和三維重塑技術，可清晰地觀察細胞從PHA-OPM表面向內部遷移的過程（圖3）。

圖3. 細胞在PHA-OPM的表面分布及向內部遷移的過程

  該團隊還進一步證實，PHA-OPM的開放多孔結構可顯著保護大部分細胞免于注射時產生的壓力和摩擦；也直接影響干細胞細胞定向分化和組織修復等結果。進行hMSC異體成骨修復測試，利用PHA-OPM為載體的實驗組效果遠優于其他對照組（圖4）。每一個PHA-OPM如同一個小小的諾亞方舟，負載大量的具有功能的干細胞進行組織修復工作。

圖4. 基于PHA-OPM及對照組的異體成骨修復測試

  除了先進的開放式多孔結構，PHA-OPM還具有材料的優勢。PHA是一種由微生物合成的純天然生物材料，具有良好的生物相容性和生物可降解能力，是一種潛在的醫學組織工程材料。陳國強團隊一直從事PHA的微生物合成及應用研究，其研究成果已代謝工程、生物塑料、再生醫學與組織工程、藥物化學、太空醫學等領域發表多項成果（見參考文獻）。大量研究表明，PHA的生物相容性優于PLA為代表的其他聚酯材料。主要原因在于，PLA的主要降解產物乳酸為酸性的小分子物質，大量釋放將影響細胞的生長，而PHA的主要降解產物3-羥基丁酸（3-hydroxybutyrate，3HB）的酸性遠小于乳酸，具有更小的細胞刺激性，且一定濃度的3HB對細胞活性有促進作用。因此，采用PLA制備的相似結構的開放式多孔微球（PLA-OPM），不論是細胞增殖、體外定向分化還是組織修復都不及PHA-OPM效果顯著（圖5）。

圖5. PHA-OPM與PLA-OPM的細胞增殖及分化實驗對比

  以上相關成果分別發表在最新一期的Advanced Materials上。論文的共同第一作者為清華大學的博士生魏岱旭和刀金威，魏岱旭還是清華大學-北京大學生命科學聯合中心（CLS）2014級博士生，通訊作者為清華大學生命科學學院、合成與系統生物學中心主任陳國強教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201802273

  參考文獻：

  陳國強，魏岱旭 主編. “十二五”國家重點圖書 《天然高分子基新材料叢書——微生物聚羥基脂肪酸酯》. 化學工業出版社. 2014年.