《CM》長春應化所李杲/肖春生、吉林大學孫天盟,可注射原位形成雙網絡水凝膠,以提高移植細胞的活力和保留

然而,治療效果受到機械注射過程中不可避免的細胞死亡、注射部位細胞滯留率低以及移植細胞長期存活和功能缺乏結構支持的阻礙。迄今為止,還沒有水凝膠配方可以解决伴隨細胞移植而來的所有這些問題。

【摘要】

通過注射進行細胞移植已成為治療全身多種疾病和損傷的一種有前途的策略。然而,治療效果受到機械注射過程中不可避免的細胞死亡、注射部位細胞滯留率低以及移植細胞長期存活和功能缺乏結構支持的阻礙。迄今為止,還沒有水凝膠配方可以解决伴隨細胞移植而來的所有這些問題。

最近,中國科學院長春應用化學研究所李杲研究員、肖春生研究員,與吉林大學孫天盟教授團隊共同開發出一種可注射的原位形成雙網絡(DN-I)水凝膠,它可以在注射過程中提供機械細胞保護,支持注射後的長期保留,並且可以快速降解,為封裝的細胞生長留出空間。水凝膠通過Knoevenagel縮合反應產生的可逆動態共價C=C雙鍵交聯,並通過原位紫外線誘導的二次交聯進一步增強。使用生物相容性催化劑組氨酸顯著增强了DN-I水凝膠第一個網絡中交聯的動態交換。

DN-I水凝膠的大型動態網絡允許使用較小的力注射帶有封裝細胞的預製水凝膠,並提供機械保護以免受注射力的影響。二次交聯網絡改善了注射後移植細胞的保留,隨後為細胞增殖和分化提供了支持。所開發的可注射原位形成雙網絡水凝膠可作為幹細胞移植和組織再生應用的有效載體。

【主圖導讀】

示意圖1.可注射原位形成雙網絡水凝膠的製備和化學結構。

圖1.組氨酸催化劑對由Dex-BA和Dex-CA在組氨酸存在下製備的S-I水凝膠的可逆C=C雙鍵交換反應和性質的影響。

圖2.(a)G'和G“作為具有不同組氨酸含量的8% S-I水凝膠的剪切應力的函數。(b)從面板(a)中的剪切應力掃描測試中量化屈服應力。(c)8% S-I水凝膠的粘度測量值與不同催化劑(2 mg)在37°C下的剪切速率的函數關係。(d)8% S-I水凝膠在37°C和0.1和10 s-1交替剪切速率下的剪切稀化和自修復特性。(e)8% S-I水凝膠通過29 G針噴射而不會堵塞的影像(水凝膠用考馬斯亮藍染色以進行視覺化)。(f)S-I水凝膠注射過程示意圖。

圖3.(a)不同濃度的Dex-BA和Dex-CA對HUVEC的體外細胞毒性。(b)通過29 G注射器針頭以約1 mL min-1進行體外注射後的HUVEC活力。(c)在存在和不存在組氨酸或不注射的情况下注射後,在組氨酸的存在下SI水凝膠中封裝的HUVEC的LIVE/DEAD分析影像。(d)在組氨酸存在或不存在的情况下,注射後立即在S-I水凝膠中對封裝的HUVEC生存力進行量化,來自圖(c)中所示的LIVE/DEAD測定。(e)圖(c)中顯示的LIVE/DEAD測定中注射或未注射的PBS溶液中HUVEC活力的量化。(f)通過29 G注射器針頭以約1 mL min-1進行體外注射後,在存在和不存在組氨酸的情况下,8% S-I水凝膠中BMSCs的存活率。

圖4.DN-I水凝膠的形成和表徵。(a)將摻入5% 4臂PEG-A聚合物的8% S-I水凝膠注入心形模具中,隨後用紫外線照射以獲得心形DN-I水凝膠。(b)8% SI水凝膠在4臂PEG-A(5%)聚合物存在下的儲能模量(G')作為時間的函數,在37°C下用紫外線照射5分鐘之前和之後。(c)S-I水凝膠和DN-I水凝膠的應力-應變曲線。(d)DN-I水凝膠、SI水凝膠、PEG-5(由5% 4臂PEG-A聚合物溶液的紫外線交聯形成的水凝膠)和PEG-13(由紫外線形成的水凝膠)的降解行為13% 4臂PEG-A溶液的交聯)。(e)在PBS(pH 7.4)中溶脹不同時間後DN-I水凝膠和S-I水凝膠的影像。

圖6.體內皮下注射後的水凝膠保留。

【總結】

該團隊已經製備了具有顯著可注射性和長期保留效能的原位形成雙網絡水凝膠。水凝膠首先通過基於KC反應形成動態C=C雙鍵進行凝膠化,並通過4臂PEG-A聚合物中的丙烯酸酯基團的光聚合進一步交聯。動態水凝膠通過使用生物相容性催化劑組氨酸顯示出良好的可注射性,該催化劑增强了動態網絡中C=C雙鍵的交換動力學。囙此,這種水凝膠可以有效地保護細胞在注射過程中免受機械損傷,並由於第一個動態網絡的快速自愈能力為注射後細胞保留提供臨時支架。此外,雙網絡水凝膠中的光致交聯網絡增强了DN-I水凝膠在目標部位的保留,並進一步為長期細胞增殖和分化提供了穩定的支架。囙此,所開發的可注射原位形成雙網絡水凝膠可用於幹細胞移植和組織再生應用。

參考文獻:

doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c00635

原文刊載於【高分子材料科學】公眾號

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