間充質基質細胞（MSC）近年來被廣泛應用在再生醫學領域，可促進各種結締組織的再生。大量證據表明，移植的MSC通過分泌生長因子、細胞因子和細胞外囊泡來廣泛促進組織再生。與單個分散細胞相比，MSC在聚集成球狀體后可分泌更高濃度的因子，從而進一步提高了組織的再生潛能。

然而，盡管MSC球狀體擁有良好的治療前景，但它們在體內的存活率卻很低，且由于降解和擴散，這些生物活性因子只能短暫存在于特定的傷口部位。為了解決這個問題，加州大學戴維斯分校（UC Davis）的研究人員合成了一種硫酸化海藻酸鹽水凝膠平臺，希望通過封住MSC球狀體分泌的因子來增強組織再生。

該研究發現，MSC球狀體與硫酸化海藻酸鹽的結合使用可促進肌肉再生。這項研究成果于2023年1月1日發表在《Acta Biomaterialia》雜志上，有望應用于肌肉損傷的修復。
 

研究材料與方法

在這項研究中，SD大鼠骨髓來源的MSC購自賽業OriCell^®，研究人員在細胞傳代后將其培養成MSC球狀體，并轉移到海藻酸鹽溶液中，交聯形成水凝膠。他們在研究中使用了SD大鼠的比目魚肌擠壓傷模型。他們使用偏振光顯微鏡分析了膠原蛋白質量和組成，并采用羥脯氨酸含量分析來測定膠原蛋白溶解度。

技術路線

1.構建包含MSC球狀體的硫酸化海藻酸鹽水凝膠

2.評估硫酸化MSC球狀體是否會誘導膠原蛋白沉積

3.評估這種新型水凝膠處理對神經支配和血管形成的影響

4.評估肌源性分化標志物的表達，以確定再生肌纖維的成熟度

研究結果

研究人員發現，當MSC球狀體被包裹在硫酸化海藻酸鹽水凝膠中時，生物活性生長因子的保留時間延長，有助于血管內皮形成和成肌細胞侵襲。于是，他們將這種水凝膠（sulfated）植入大鼠比目魚肌擠壓傷模型中，以評估其治療潛力。對照組包括非硫酸化的水凝膠（non-sulfated）和無細胞的硫酸化水凝膠（sulfated acellular）。

植入后六周，近紅外成像結果顯示，硫酸化和非硫酸化水凝膠中的MSC水平相似（圖1），說明硫酸化不影響球狀體的生存能力。與對照組相比，包含MSC球狀體的組表現出更厚且更深色的肌肉。組織H&E成像結果顯示，水凝膠植入兩周后各個組中會出現纖維化組織。與非硫酸化組相比，硫酸化組的纖維化組織在六周時有所減少，表明硫酸化處理導致更有組織的肌肉再生。
 

硫酸化不影響MSC的生存能力^[1]

在肌肉再生過程中，一種常見的失調是形成纖維化的瘢痕組織，其主要由膠原蛋白組成，會嚴重限制肌肉的活動能力。于是，研究人員對上述肌肉組織中的總體膠原蛋白水平和不溶性膠原蛋白比例進行了量化，以便確認纖維化反應。結果顯示，與其他組相比，硫酸化MSC球狀體處理引起的過剩膠原蛋白較少，說明它并沒有誘發嚴重的纖維化反應。在進一步分析膠原蛋白的組成后，研究人員確認硫酸化球狀體組誘導的膠原蛋白沉積量較低，膠原蛋白壓實程度與未受傷的肌肉更相似。

02 包含球狀體的硫酸化水凝膠對肌肉再生的影響
之后，研究人員評估了水凝膠處理對神經支配和血管形成的影響。在水凝膠植入六周后，通過對乙酰膽堿受體進行染色，經硫酸化球狀體處理的損傷顯示出更多的神經肌肉接頭。再通過對血管標志物CD31的免疫組化染色，他們發現隨著球狀體的加入，陽性染色呈現增加的趨勢（圖2）。這些數據表明，硫酸化球狀體組顯著改善了神經肌肉接頭的生成，促進了新血管的形成，并在兩周后產生了更多成熟的肌纖維，表明這是一個有利于神經支配和血管形成的環境。

圖2. 包含球狀體的硫酸化水凝膠促進了血管形成和神經支配^[1]

研究人員還發現，六周后再生的肌肉在物理和機械特性上都與對側對照肌肉相當。硫酸化水凝膠的加入引起肌肉彈性增加，在20%應變下的被動動態應力明顯下降。運動范圍分析顯示，六周時的運動范圍與對側對照組相似。這些數據表明，在植入水凝膠六周后，損傷組織在被動物理特征方面都接近完全再生。

為了進一步分析再生肌纖維的成熟度，研究人員還通過RT-PCR測定了常見的肌源性分化標志物的表達。在損傷后兩周，硫酸化水凝膠中MSC球狀體的處理導致肌肉分化標志物Myog的表達增加。不過在六周時，各組之間的成熟肌肉形成標志物Myh2表達相似。他們認為，硫酸化水凝膠的處理加速了肌纖維的成熟，但由于自然修復機制的作用，若評估的時間點較晚，其效果就會減弱。
 

結論

研究示意圖^[1]

這項研究采用一系列分析技術評估了硫酸化海藻酸鹽材料修復大鼠比目魚肌擠壓傷的能力（圖3）。研究發現，硫酸化海藻酸鹽與MSC球狀體的組合減少了膠原蛋白沉積，改善了肌源性分化標志物表達，并增加了神經肌肉接頭，表明這種方法有望促進肌肉再生并減少纖維化。

原文檢索
[1]M.A. Gionet-Gonzales, R.C.H. Gresham, K.H. Griffin et al., Mesenchymal stromal cell spheroids in sulfated alginate enhance muscle regeneration, Acta Biomaterialia, https://doi.org/10.1016/j.actbio.2022.10.054