近日，博辉瑞进SIS水凝胶最新研究成果《Microsphere−Gel Composite System with Mesenchymal Stem Cell Recruitment, Antibacterial, and Immunomodulatory Properties Promote Bone Regeneration via Sequential Release of LL37 and W9 Peptides》【中文标题《微球-凝胶复合系统通过 LL37 和 W9 多肽的顺序释放实现间充质干细胞募集、抗菌和免疫调节功能来促进骨再生修复》】，被应用材料领域顶级期刊《ACS Applied Materials ＆ Interfaces》【中文名称《美国化学协会 应用材料与界面》】收录，影响因子10.383。
本项研究，由博辉瑞进赵博教授、魏鹏飞博士团队，天津医科大学王永兰教授团队，天津中诺口腔医院刘子豪博士团队，天津医科大学第二医院马士卿博士团队合作完成，以博辉瑞进具有自主知识产权的SIS水凝胶为主要基体材料。
目前，各种类型的生物材料已被广泛应用于临床，用以治疗复杂的骨缺损。然而，生物材料引起的潜在感染风险和不适当的宿主免疫反应，可能对最终骨修复效果产生不利影响。因此，开发具有抗菌和免疫调节能力的新型骨生物材料，有助于实现宿主和材料之间的良好相互作用，从而创建局部有利于成骨并最终加速骨再生的微环境。
在本研究中，研究人员制备了含LL37肽的SIS水凝胶和包封了W9肽的PLGA微球--W9/PLGA-SIS，其可填充不规则骨缺损并表现出优异的机械性能。
图为：SIS和LL37-W9/PLGA-SIS水凝胶的制备方法示意图
研究人员首先对合成的样品进行一系列的表征，证明其已成功的制备，包括SEM、FTIR、粒径分布、荧光图像、流变、应力-应变以及肽的释放曲线。测试结果表明，尽管PLGA微球和SIS胶原蛋白之间存在一定程度的分子间相互作用，但并未引起胶原蛋白结构的显著变化，这也表明微球-凝胶复合体系的成功制备。同时，水凝胶具有适合细胞正常生长、增殖的基本条件，同时水凝胶能够对肽实现顺序释放，更有利于骨缺损的修复。
图为：水凝胶样品表征
研究人员以BMSCs和RAW264.7为模型细胞进行细胞培养，实验表明，水凝胶具有优异的生物相容性。BMSCs和RAW264.7细胞在与样品提取物一起培养1天后，通过CLSM观察细胞的形态和铺展。图像说明细胞铺展面积较大，肌动蛋白丝伸展良好，表明LL37肽更有利于细胞运动和细胞骨架发育。
此外，研究人员还通过Transwell试验测定样品介导的BMSC募集能力。LL37-W9/PLGA-SIS组大大促进了BMSCs在体外的迁移，这可能有利于BMSCs在损伤部位的积聚。
图为：水凝胶样品对细胞活力、形态和行为的影响
研究人员通过抗菌活性试验、抑菌圈试验、失活效率试验和活/死染色来评价样品的抗菌性能。LL37-W9/PLGA-SIS组中的细菌菌落数显著减少，并且只能看到零星的细菌菌落。同时，定量分析和荧光染色表明，进一步说明其优异的抗菌性能。
图为：水凝胶样品抗菌性能评估
在阐明巨噬细胞因子对材料介导的BMSC成骨分化的影响后，我们通过qRT-PCR分析进一步评估了典型的成骨相关基因RUNX2、OPN、BMP2和ALP的表达。此外，ALP和ARS染色生动地显示LL37-W9/PLGA-SIS组具有最高的碱性磷酸酶表达和生物矿化。这些结果均表明，用LL37-W9/PLGA-SIS提取物培养的巨噬细胞分泌的因子可以加速BMSCs的材料介导的成骨分化。
图为：巨噬细胞因子对骨髓间充质干细胞体外成骨分化的影响
为了进一步验证水凝胶的成骨能力，研究人员建立了8mm大鼠颅骨缺损模型，并植入凝胶原位观察其成骨能力。术后3个月，所有组的新骨形成增加，特别是LL37-W9/PLGA-SIS组有边缘骨融合的迹象。定量骨体积分数分析(BV/TV)表明，在手术后1个月和3个月，LL37-W9/PLGA-SIS组具有最高的骨形成率。
图为：水凝胶用于体内的骨缺损修复
通过H&E和Masson三色染色进一步观察新骨形成和材料降解。染色结果表明，空白组和SIS组的缺损主要由疏松的纤维结缔组织填充，局部有一些类骨质形成，而LL37-SIS和LL37-W9/PLGA-SIS组有新骨形成，但没有成熟的骨组织。在LL37-W9/PLGA-SIS组中仍然有未降解的微球，并且在微球周围观察到新的骨形成，这可能是由于在PLGA微球降解过程中W9肽的释放。
图为：骨再生的组织学评估
免疫组织化染色用于进一步阐明体内巨噬细胞极化和骨再生之间的关系。随着新骨的逐渐形成和成熟，BMP2的表达降低，而COL-1的表达略有增加。iNOS和CD206的表达水平恢复到相对较低且平衡的状态，这可能预示着后续的组织修复和重建将在相对稳定的微环境中进行。此外，微球最初被SIS凝胶包裹，不会引起周围环境的pH值变化或炎症反应。PLGA微球的降解时间比SIS凝胶长，这可能导致iNOS在有限范围内上调表达，但这不会引起严重的炎症反应或损害最终的成骨效果。
图为：免疫组织化学染色评估体内骨修复过程
综上所述，研究人员成功制备了含LL37肽的SIS水凝胶和包封了W9肽的PLGA微球，具有良好的生物相容性和力学性能。此外，这种微球-凝胶复合系统可以顺序释放LL37和W9肽。通过体外研究验证，发现该系统不仅具有良好的BMSC募集能力和抗菌性能，而且能够精确调节巨噬细胞的极化过程，以更接近生理性骨愈合的方式促进BMSC的成骨分化。通过体内外实验验证了LL37-W9/PLGA-SIS凝胶的生物相容性、细胞募集能力、细胞间相互作用和骨形成能力，为临床治疗骨缺损提供了实验依据。
赵博
博辉瑞进创始人，现任公司董事长/CEO/研发中心主任，外科学博士
教授级高级工程师／副主任医师／研究生导师／博士后导师
作为主要完成人和项目负责人，先后承担并完成国家自然科学基金项目四项、北京市自然科学基金等多项科研项目。
王永兰
主任医师，天津医科大学口腔医学院口腔内科学教研室主任，牙周科主任，硕士生导师
中华口腔医学会牙周病学专业委员会常务委员
天津口腔医学会牙周病学专业委员会主任委员
主持及参与局级、市级及国家级课题研究20余项，发表论文40篇
获得天津市科技成果三等奖1项，天津医科大学教改二等奖1项，天津市卫生系统引
进应用新技术空白奖4项
参编书籍4部
获得天津医科大学首届医师节“十佳医生”和“巾帼建功标兵荣誉称号”
天津市卫生局第一届人民满意的“好医生”及“五一”劳动奖章获得者称号
刘子豪
口腔医学博士、主治医师、讲师
中华口腔医学会牙周病学专委会青年委员
天津市131三层次人才
获得天津市教委基金、卫健委基金
获得2020年天津市科技进步二等奖
马士卿
天津医科大学第二医院口腔科，讲师，主治医师，口腔医学博士
中华口腔医学会口腔全科专委会青年委员
主持国家自然科学基金青年项目1项
近5年以第一作者发表SCI论文5篇，通讯作者发表SCI论文1篇
荣获天津市科技进步二等奖
131三层次人才
天津市高校“青年后备人才支持计划”人选
天津医科大学卓越教师
魏鹏飞
北京博辉瑞进生物科技有限公司研发总监
北京化工大学生物医用材料 博士
获得第68批中国博士后科学基金面上资助
2020 年度博士后国际交流计划学术交流项目
