學科跨界:依托于植物構架的組織體外再建和納米醫學

摘要：動植物跨界交叉應用于器官組織工程是利用了植物材料的低免疫源性。這不僅可能徹底解決器官組織再生醫學中的關鍵問題——受體移植物免疫排斥性，而且使得植物構架在與納米技術等結合后可實現如光合動物和植物納米3D打印等科幻般的前沿技術。

本文對跨界工作的應用性和前景性進行了綜述。植物構架除了保留了動物構架的特性和其獨特優越的生物兼容性外，其生產成本低，無倫理和供給量束縛，操作簡單，適于大規模的生產和研究。它的可修飾性以及完整的脈管系統使其適合多種干細胞的構建，促進血管生成，在心臟再生生物學和骨組織再生生物學等可得到很好的應用。植物構架可以提供干細胞增殖分化最佳3D環境，使其實現在體器官的構建、體外組織的再生或者制藥的體外基礎研究系統。

植物材料特有的低免疫源性的兼容特征使其必將為器官組織工程不可替代的材料，有著不可估量的應用前景。

關鍵詞：組織再生構建;植物構架（Scaffold）;水凝膠;納米科學

一、前言

利用植物構建的低免疫源性來解決器官或組織工程學中移植物的免疫排斥問題，進而用于人體解決器官組織再生問題具有非常廣闊的應用前景。植物構架除了保留了動物構架的特性和其獨特優越的生物兼容性外，其生產成本低，無倫理和供給量束縛，操作簡單，適于大規模的生產和研究。

現今，對植物構架的研究現在才剛剛起步，它在組織工程中的應用還需要進一步的完善。在與納米3D熱點技術、干細胞、CRISPR基因編輯等技術結合后，植物材料特有的低免疫源性的兼容特征使其必將為器官組織工程不可替代的材料，有著不可估量的應用前景。

二、植物構架大孔徑、高彈力、形狀記憶和可修飾性特性與再生生物學

（一）植物構架與動物心臟再生生物學

心臟組織工程主要是使用功能性生物材料構建生物活性構架，模仿天然組織形態和生理功能，進而重塑現有心臟組織的移植方案。在心臟組織工程中，植物脫細胞構架較其他構架顯現出很好的生物兼容性。植物構架擁有完整的細胞外基質和脈管網絡，進而提供干細胞時空生長因子和營養成分，從而較其他構架對治療更大創傷表現出明顯優勢。

1.植物構架與細胞及成體多功能干細胞

2017年Gaudette團隊以菠菜葉為實驗對象進行的一系列實驗證明了細胞及多功能干細胞可實現在植物脫細胞構架上的構建，與此同時，Pelling等團隊證明了植物構架有明顯的促血管生成作用，從而導致功能性血管在構架上的生長。植物脫細胞構架較動物性構架脫細胞化步驟簡單，且殘余成分低抗源性，生物兼容性好，同動物脫細胞構架一樣可供心肌細胞存活和工作。

2.多種動物細胞在植物構架上的復合細胞構建

在動物及人體中，每一個器官組織都是由多種細胞在發育中漸行分化特異形成，因而細胞在植物構架上組織構建也必然是多種細胞復合構建而成，也正因為如此，多功能干細胞的應用正好順應該條件需求。用于再細胞化的種子細胞通常使用多種細胞如胚胎干細胞、誘導多能干細胞或間充質干細胞等。植物構架可供多種可用于再細胞化的干細胞存活和增殖，在器官構建中，各種干細胞被接種到器官構架上。

（二）植物構架與骨組織再生構建

1.植物構架與軟骨構建

植物構架用于軟骨構建大都為植物纖維素制成的注射型水凝膠，也是最早的骨組織工程構建研究領域。2018年發表的一項研究將植物來源的多糖羧甲基纖維素（CMC）硫酸化，結合以往的研究結果將其與明膠共同制備成可用于注射的大孔構架。該植物構架以其特有的形狀記憶特性和其對生長因子的粘附力，有效模擬了軟骨修復的天然軟骨再生的復雜性過程。英國皇家學院Stevens等科學研究者在前人的工作基礎上，于2016年使用重組鏈球菌膠原樣蛋白和三種促軟骨形成多肽序列構建骨架，而后與基質金屬蛋白酶（mmp7）和聚蛋白多糖酶（ADAMT-S4）按一定的比例交聯形成可生物降解的水凝膠。這種交聯構建使人間充質干細胞表現出更強的軟骨形成特征，這些研究為人類軟骨再生和修復提供了成本低的植物材料構建體系，并為骨骼動力學功能研究提供了體外模式。

2.植物構架與成骨細胞活性

美國內布拉斯加大學林肯分校的Yang 等發現小麥麥谷蛋白膜顯示出了較聚乳酸PLA膜更好的成骨細胞增殖特性。他將麥谷蛋白、麥醇溶蛋白和兩者混合而成的小麥面筋分別加工成膜，并與聚乳酸PLA膜進行比較，發現麥谷蛋白明顯有益于成骨細胞的粘附和增殖，以及有著優于PLA膜更廣泛的flagella化。這說明小麥麥谷蛋白若與上述其他構架材料共同使用獲得的復合材料，可能成為組織工程中優良的動植物復合構架。

（三）植物構架的可修飾性

器官組織的植物構架易于應用基因修飾技術，過表達目標基因表達出特定修飾的植物源動物蛋白，從而使植物構架兼容動物細胞構架必要特質，使種子細胞生長分化構建成器官組織。

Shilo等將基于轉基因煙草生產的重組人源膠原蛋白（rhCollagen）的凝膠制劑注入到大鼠急性全厚度皮膚傷口愈合模型中。相較于牛膠原蛋白和人體皮膚膠原蛋白，rhCollagen凝膠制劑加速了傷口的閉合，并引發了愈合過程的啟動，伴有更強烈的再上皮化，觀察到了早期血管生成反應和減少的炎癥反應，這種治療可能會對較深的傷口有利，從而可以縮短愈合時間。這為慢性傷口的愈合提供了組織工程學生物兼容性好、低成本的材料。植物構架不僅保持了動物源構架的優異性能，而且制備更加方便，操作工序簡單，造價低。相較天然牛膠原蛋白，只引起極低的免疫反應。

三、現代納米技術使植物構架提供動物細胞生長分化的組織工程3D環境

納米技術是當今材料科學令人注目的學科，近年來它的發展成為加速現代科學技術的關鍵。器官組織工程學與納米技術的結合，使得植物構架為干細胞提供更加精密的3D環境，為其增殖、遷移和分化提供更為精準的調控。

使用納米技術改良的植物構架可改善種子細胞的增殖、粘附和分化已被赫爾辛基大學的研究人員以及Korrapati等科學工作者證實，眾多研究從機理上證明了納米級精密形貌結構更利于細胞和干細胞的粘附、增殖和遷徙。

利用納米多孔3D植物構架，科技工作者制備了良好互通的納米孔構架，并應用于骨骼的構建。上海東方醫院的Wu等將納米多孔透輝石生物玻璃（nDPB）添加于醇溶蛋白的基質中，通過溶液壓縮和顆粒浸出的方法制備了大納米多孔植物構架，分別進行體外和體內實驗。此納米孔構架上，nDPB對MC3T3-E1在構架上的粘附和生長有促進作用，這種促進作用與其含量正相關。體內實驗證明，nDPB也可改善成骨特性和可降解性，I型膠原蛋白的表達明顯增加，表明骨形成良好。依據臨床需要，植物構架也可以提供2D細胞環境應用于組織工程。

四、現代納米技術等使植物構架成為有效制藥的體外基礎研究系統

器官組織工程學的發展已經進入到新的時期，大量的研究報道已經把納米技術作為構建植物構架的基本技術，因而以下總結的研究工作包括心肌組織再生、藻類和動物細胞的復合嵌合組織功能檢測和干細胞納米3D打印等，均以納米級別的植物構架上接種細胞而獲得。

（一）植物構架用于心臟構建再生元件供氧研究的模型

組織工程臨床使用的重要問題是所構建組織的氧供應問題，而通常構架氧氣的供應范圍非常局限。目前針對這個問題而開發的技術有高壓氧法、全氟化碳（PFC）技術和過氧化物法等。高壓氧法伴隨細胞毒性和炎癥反應，效果較差;全氟化碳無法提供持續釋放的氧氣;過氧化物法有細胞毒性。俄亥俄州立大學使用可注射快速凝膠化的水凝膠混合電噴霧制備的釋放氧氣的微球制成輸氧系統，經過評估在供氧能力上有較大的改觀，在低氧條件下心肌細胞、內皮細胞和心臟成纖維細胞的存活均有統計學意義的增長。2016年，Egana等將轉入了血管內皮生成因子VEGF的綠藻細胞接種于生物活性構架上，建立了光合自養構架系統，為解決供氧難題打開了新的思路。

2017年日本Teruo將綠藻與大鼠心肌細胞或小鼠C2C12心肌細胞在體外共培養，創建了重構三維組織。綠藻細胞產生大量的氧氣提供給較厚的心臟細胞層的細胞，使其從無氧呼吸改變為有氧呼吸，顯示出良好的組織狀態;同時伴隨乳酸鹽和氨的產生量顯著降低，以及心肌細胞損傷的CK釋放量顯著降低。該復合植物構架在體外培養出了更厚的心臟組織的詳盡實驗數據表明，新型綠藻植物3D構架很有可能為解決組織工程中因血管化不足導致的缺氧問題，提供了極為有效的解決方式。

（二）體外構建再生元件的免疫學研究

正如前面討論的一樣，體外構建的光合自養構架除具有優秀的生物兼容性外，是否具有良好的非免疫源性也將是決定這種光合自養構架是否能能夠真正應用于臨床的決定因素。2015年Egana等使用纖維蛋白水凝膠為載體，將單細胞綠藻接種于整合構架，在持續光照室溫下培養3天，移植于小鼠體內。體內實驗證明，綠藻的存在不會引發小鼠的天然免疫反應，且可在體內存活5天以上，該構架形態結構完整細胞有活性，并產生了由藻類和鼠類細胞組成的嵌合組織。次年，他將血管內皮生成因子VEGF的綠藻細胞種植于整合構架上，移植于免疫系統正常的小鼠內，該構架在免疫系統正常的小鼠內沒有引起顯著的免疫應答和炎癥。他們的研究結果明確表明，綠藻光合自養構架有不可估量的應用前景。

（三）光合脊椎動物的實質性探索研究

有未來學預測，動物學和植物學學科交叉可能出現科幻影片中的光合脊椎動物，也就是經過生物工程的改造，包括人類脊椎動物在內的動物個體可以像植物那樣從陽光中獲取能量。近年來，實質性探索研究使人感覺到這類學科交叉不再停留在科幻的領域。Egana等在2015年將單細胞綠藻注入斑馬魚卵中，檢測兩種生物的相互作用和活力。他們發現，綠藻細胞分布于斑馬魚不同的組織中，進而形成魚藻嵌合體。進一步的檢測證明藻類在斑馬魚中存活并保持代謝功能至少3天，且綠藻在魚類中并沒有引發炎癥。雖然高濃度的藻類會引起斑馬魚卵的死亡（這可能是藻類對早期魚類發育的物理干擾造成的）。此項研究為光合脊椎動物的設計成為現實提供最初但鼓舞人心的實質性進展。

（四）納米技術3D打印、干細胞發育分化體系與植物構架的聯合

植物構架作為具有眾多優勢的器官組織過程體系，由于具有易于體外操作的特性，可以與眾多現代革命性技術相聯合，彰顯出重大的應用前景。今年，清華大學使用羥丙基幾丁質作為生物墨水的3D細胞印刷技術對人誘導多能干細胞進行擴增，該研究揭示了非離子交聯bioink的獨特優勢材料HPCH，包括高凝膠強度和hiPSC印刷中的快速溫度響應，并首次實現了底漆狀態hiPSC印刷。在該研究中實現的特征，例如高細胞產量，高多能性維持和均勻聚集，為進一步的關于3D微組織分化和藥物篩選的hiPSC研究提供了良好的基礎。

五、結論與展望

植物構架不僅有動物性構架的特性提供干細胞所需的3D環境和脈管系統，而且它具有非常優秀的免疫兼容性和可修飾性，使之應用于心臟組織工程和骨工程等領域，適用于多種干細胞的增殖和分化，并且同時能夠促進血管發育和分化。納米級精細結構的植物構架用于在體器官或組織的再生和體外組織的再生研究和臨床應用提供了不可多得的精密器官組織工程材料。

植物構架應用于器官組織工程的研究尚屬于初級階段，植物組織材料具有的幾大特點為之奠定了應用基礎。（一）植物結構成分的多樣性。對于脫細胞材料，不同器官的構建需要相應適合的材料。如菠菜葉的葉脈結構更適合如心臟組織的高度血管化的器官，而鳳仙花莖的圓柱形中空結構可能更適合作為動脈移植物構架。（二）有些植物蛋白或多糖作為構架需要通過基因表達進行蛋白修飾或純化，植物構架在這方面也顯示了其獨到的優勢。（三）各類蛋白最適環境不同，導致植物構架適合酸性環境。所以植物構架蛋白或多糖適合性尚需更多的基礎研究來揭示。（四）植物構架制備獲取的材料處理的方法尚待完善，特別是構建納米級微環境，無論是體外還是在體應用都需要更多交叉學科的介入。植物構架具有諸多優于動物性構架的特性，它修飾性好且無污染和無病原;成本低且制作流程簡單，適用于大規模的生產和基礎研究。隨著納米級微環境植物構架的不斷完善，結構記憶性和3D打印方式的引入，其獨到的低免疫源性的兼容特征使其必將為器官組織工程不可替代的精密材料。

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（作者系陜西師范大學生命科學學院在讀碩士）