水凝膠作為遞送基質促進急性腎損傷修復再生的研究進展

田紹強

（沈陽市第一人民醫院急診科，遼寧 沈陽 110041）

急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）是由多種病因導致的腎臟結構和功能異常（包括血、尿、組織檢測或影像學方面的腎損傷標志物的異常）。臨床上，腎臟缺血、藥物腎毒素和敗血癥均可能導致AKI的發生。AKI具有高發病率、高病死率和高醫療費用等特點，已成為全球性的公共衛生問題[1-2]。據統計，每年約1 330萬患者受急性腎損傷的困擾，且直接或間接導致約170萬人死亡[3]；存活患者也易發展為慢性腎病（chroinc kidney disease，CKD）乃至終末期腎病（end stage renal disease，ESRD）[4-5]。盡管在病理生理學關于AKI的理解和認識在不斷進步，但急性腎損傷現有的治療方法多為支持性療法（透析和腎移植），由于其并發癥多、醫療費用昂貴及腎源不足等缺點而導致應用受限[6]；AKI的多因素病因和復雜的臨床過程顯著增加尋找特效藥或治療方法的難度，需相關研究人員持續不斷的研究和探索，以取得AKI治療手段的新突破。

近幾十年來，干細胞療法成為修復和治療AKI的有效手段[7-8]，為保證治療效率，通常將干細胞直接輸送至受損的腎臟部位，通過免疫調節修復受損部位[9]，但這種局部直接注入的遞送方式很難獲得較高的細胞植入效率，細胞的存活率也偏低[10]，這可能是由于缺乏細胞-基質之間相互作用，導致細胞在體內不利的微環境中發生失巢凋亡所致[11-12]。因此，采取干細胞直接遞送的方式對AKI修復效果不佳；同時，也有研究將外源性生長因子或使用生長因子修飾的干細胞植入腎損傷部位，以考察其對AKI的修復[13-14]，通過生長因子的抗凋亡和抗炎機制等促進動物模型急性腎損傷的改善，但遠未達到臨床應用的治療效果。總體來看，目前諸多通過直接向腎臟損傷部位遞送干細胞、外源性生長因子或治療性藥物治療AKI的研究均受制于干細胞的存活率或生長因子和藥物的遞送效率等問題，未達到滿意的修復效果。

水凝膠是一類含有三維空間網絡結構，在水中具有溶脹而不溶解特性的聚合物材料[15]，具有高吸水性、優良的力學性能和生物相容性[16]，還具有可調的生物學性能、較小的組織刺激性和低細胞、蛋白質表面粘附的傾向性等顯著特點。因此，水凝膠在生物醫學、組織工程等領域得到廣泛應用[17-18]。近年來，有不少研究人員以生物工程水凝膠為載體將干細胞、生長因子或治療性藥物遞送至病灶部位，嘗試通過水凝膠材料改善局部微環境，延長細胞、生長因子或治療藥物在腎臟損傷部位的留存時間以促進器官組織學和功能學的修復，期望增強治療效果，提升靶向療效，以實現對急性腎損傷的高效修復和治療目的。

1 水凝膠遞送干細胞修復AKI

有研究者選取水凝膠為遞送基質，通過將負載有不同種類干細胞的水凝膠材料靶向遞送至腎臟損傷部位，以期望解決常規的干細胞療法中的多種問題，改善體內損傷處的微環境，提高細胞存活率，增強AKI的修復效果。

殼聚糖、透明質酸和膠原蛋白均具有良好的生物相容性，制備成水凝膠后具有可注射性，可作為性能優良的載體材料。Gao J等[19-20]制備了一種溫敏性殼聚糖氯化物（thermosensitive chitosan chloride，CSCl）水凝膠用作可注射支架材料，其中負載脂肪源性骨髓間充質干細胞（adipose derived MSCs，ADMSCs）植入損傷部位，用于治療缺血再灌注（I/R）所引起的AKI。結果表明，CSCl Gel/ADMSCs支架材料能通過清除活性氧（reactive oxygen species，ROS）以有效改善AKI處的微環境，提高ADMSCs植入的存活率并增強宿主腎細胞的增殖活性，增加微血管密度并促進神經血管的形成，減少細胞凋亡，改善AKI的治療效果，增強腎功能的恢復。Feng G[21]則以殼聚糖為基質，將胰島素樣生長因子-1的C結構域肽（insulin-like growth factor-1，IGF-1C）固定于殼聚糖上，成功制備了一種新型生物活性水凝膠。隨后通過將脂肪間充質干細胞（adipose-derived mesenchymal stem cells，ADSCs）與該水凝膠共同植入腎損傷部位以考察其對AKI后腎再生的作用效果，實驗結果表明，該生物活性水凝膠能為ADSCs提供良好的微環境，提高細胞在腎損傷部位的存活率并促進血管的生成，且有助于AKI后腎再生過程中細胞基質的錨定和細胞增殖與炎癥的調節，實現生物活性水凝膠作為載體材料對移植細胞特定功能的增強，從而顯著增強AKI的修復效果，有望成為AKI治療領域的候選材料[21]。此外，還可利用殼聚糖的溫敏特性和生物可降解性的特點，嘗試調節干細胞的釋放速率以獲得更高的細胞存活率及修復效果。

透明質酸（hyaluronic acid，HA）是細胞外基質和干細胞巢的固有成分，植入體內后能通過透明質酸酶/膠原酶溶解水凝膠釋放干細胞而不損害細胞，且不會引起全身效應；在HA水凝膠中包埋內皮祖細胞（endothelial progenitor cells，EPCs），遞送至敗血癥誘導引起的AKI動物模型后發現，包含有EPCs的HA水凝膠能在損傷處提供利于細胞存活和增殖的微環境，同時，也提供對循環細胞、內毒素及腎臟的保護，該策略能增強干細胞療法對AKI的治療效果[22]。此外，筆者在以往的研究工作中發現，與單獨遞送EPCs相比，使用HA水凝膠聯合遞送EPCs和MSCs對腎損傷處的腎微循環和腎功能的改善作用更顯著，相關的作用機制還有待進一步通過實驗研究確定[23]。

Huang S等[24]以膠原蛋白和脫細胞血管基質成功制備了一種新型的共凝膠材料，共凝膠材料的開發嘗試克服單一的水凝膠材料可能存在的潛在限制。隨后將MSCs負載于共凝膠材料上植入I/R誘導引起的AKI的大鼠模型中，并對其生物學功能進行詳細的研究和探討。實驗表明，共凝膠能增強MSCs的旁分泌作用并減少干細胞的凋亡；體內AKI動物模型移植結果驗證共凝膠材料能顯著提高MSCs的存活率，促進血管的形成和腎臟功能的恢復，增強AKI的治療效果[24]，成為修復AKI的候選生物材料。

自組裝多肽水凝膠由于其可逆性、良好的生物可降解性和生物相容性等特點也被研究者用于設計構建干細胞的載體材料。Li Q等[25]將由自組裝多肽和水構成的水凝膠與腎祖細胞（renal progenitor ce1ls，RPCs）共同移植到大鼠缺血再灌注損傷（ischemia-reperfusion injury，IRI）模型中，通過腎功能相關標志物和腎臟組織學來評估治療效果，所使用的RPCs通過在腎上皮細胞培養液中加入多種腎源性因子，刺激誘導多能干細胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）分化而成。實驗結果證明，該修復策略能調節受損腎臟的微環境，促進細胞增殖并減少細胞凋亡以保護AKI大鼠免受腎功能損害和嚴重的腎小管損傷[25]。Wang H等[26]將萘（naphthalene，Nap）共價連接至短D型肽（Nap-DFDFG）和IGF-1C，通過自組裝多肽成功構建一類功能性水凝膠（β-IGF-1C）。隨后將β-IGF-1C水凝膠與人胎盤來源的間充質干細胞（mesenchymal stem cells，MSC）共同移植至小鼠的AKI模型中，結果表明，所制備的水凝膠能為MSCs提供有利的微環境，促進細胞存活和血管再生，有助于腎臟損傷部位的內源性再生，從而實現腎臟功能的恢復[26]。二者的研究提出一種將自組裝多肽水凝膠與干細胞共植入治療AKI的新策略，為組織工程和再生醫學的平臺相結合提供新的發展思路。

2 水凝膠遞送生長因子修復AKI

在發生急性腎損傷時，給予相應種類的外源性生長因子能發揮細胞保護作用，抑制細胞凋亡、加速細胞增殖并促進腎組織的修復。以水凝膠材料為載體，期望能高效靶向遞送生長因子至腎受損部位，修復腎臟損傷。

Tsurkan MV等[27]制備了由多臂聚乙二醇和肝素組成的微米級水凝膠顆粒的黏彈性、可注射的聚集體，其中肝素的引入被用于結合、保護和釋放大量的生長因子（growth factors，GFs），并對聚集體進行部位特異性旁分泌刺激組織再生的測試。選取小鼠橫紋肌溶解所致的急性腎損傷為模型，將負載有鼠表皮生長因子（epidermal growth factor，EGF）或堿性成纖維細胞生長因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）的水凝膠注射入小鼠的左腎中，以觀察研究體內生長因子的遞送情況。實驗結果顯示，與未注射負載GFs的水凝膠相比，負載兩種不同生長因子的水凝膠均可不同程度促進腎臟的細胞增殖，實現對模型小鼠AKI的修復作用；同時，驗證了水凝膠作為GFs的局部沉積物，能在體內釋放時刺激旁分泌效應。同樣，Soranno DE等[28]考察了使用可注射的HA水凝膠向受損的腎臟持續遞送白介素-10（interleukin，IL-10）能否減輕AKI引起的炎性級聯反應和腎臟纖維化，研究發現HA水凝膠在遞送IL-10的過程中未對機體產生不良影響，能有效改善腎臟疾病的組織學和功能預后，減輕AKI后發生的全身或局部性炎癥。筆者提出可注射HA水凝膠可能是通過淬滅損傷部位附近的促炎細胞因子而具有有益的免疫調節作用的假設，但仍需后續的實驗研究加以佐證。

3 水凝膠遞送治療藥物修復AKI

以水凝膠為載體材料負載AKI相關的治療性藥物，遞送至動物模型中同樣對AKI具有一定的修復效果。Zhao M等[29]在研究中將線粒體靶向抗氧化劑-2，2，6，6-四甲基哌啶-氮-氧化物（Tempo）（MT）使用可注射天冬氨酸納米纖維水凝膠進行負載，該水凝膠是以自組裝多肽水凝膠為載體基礎進行設計構建；期望該遞送體系能克服MT在體內半衰期短、不良反應大的缺點，用于AKI后持續性線粒體損傷的長效治療。結果表明，可注射天冬氨酸可自組裝成交聯納米纖維水凝膠，對MT具有長效緩釋的作用，能對IRI所誘導的小鼠腎臟線粒體功能障礙發揮持續的保護作用，減輕IRI后的腎小管損傷和炎癥反應，從而改善AKI的長期預后。該研究提供了一種頗具吸引力的AKI后線粒體損傷的治療修復策略。此外，Liu H等[30]成功構建唾液酸修飾的地塞米松磷酸鈉（dexamethasone sodium phosphate，DSP）-負載的脂質磷酸鈣凝膠核心納米顆粒（SA-NPs），用于靶向治療I/R誘導的AKI。基于DSP可與Ca2+結合形成水凝膠的特性，制備DSPCa2+凝膠核以提高DSP的載藥量和包封率，納米粒的緩釋作用有效地延長了DSP在體內的滯留時間，研究[30]表明，SA-NPs能明顯改善腎功能，降低促炎因子水平，調節氧化應激因子和凋亡蛋白的表達；在AKI小鼠模型中具有更好的療效和更少的不良反應，有望為AKI安全有效的靶向治療提供新的策略。由此可見，將治療性藥物利用水凝膠特性包被其中，遞送至損傷部位能有效避免全身性給藥所帶來的不良反應，增加靶向區域的藥物濃度，延長藥物的緩釋時間，達到提升修復效果的目的。

4 總結與展望

通過直接植入或遞送干細胞、生長因子或治療藥物在AKI動物模型的治療方面取得一定的進展，但同時也面臨嚴峻的考驗，其中包括干細胞存活率低、生長因子和治療藥物遞送效率低、旁分泌能力受損等，顯著限制其臨床應用，影響損傷后的修復效果[31]。如通過靜脈注射直接遞送干細胞時，其中不足3%的遞送細胞能到達腎臟的受損部位，而大部分干細胞被注射到受損組織后會面臨不利的微環境，包括纖維化、炎癥反應和AKI后產生的ROS等[32-33]。腎臟損傷部位惡劣的微環境，會使干細胞發生凋亡，外源性生長因子或治療藥物可能在未向受損組織提供任何治療益處前被當作異物清除，難以發揮更好的修復效果。

水凝膠（包括殼聚糖水凝膠、透明質酸水凝膠、自組裝多肽水凝膠及共凝膠等）作為一類性能優異的生物材料能向腎臟損傷部位靶向遞送干細胞、外源性生長因子或治療藥物，對AKI的修復效果均有提升。水凝膠材料作為遞送載體時能從多方面加強腎臟損傷的修復：首先水凝膠可將干細胞、生長因子或治療藥物等局部靶向遞送至腎臟損傷部位，將全身性不良反應降至最低，提高存活率和遞送效率；其次，在靶向釋放前水凝膠將其包被在材料內部，可保護目標遞送物質免受炎癥反應、腎臟纖維化等不利生理環境的影響[34]；最后，能為遞送物質提供類似于內源性細胞外基質的微環境[35]，使其能最大限度地發揮治療潛力，抑制炎癥反應，促進血管生成，減輕纖維化，顯著增強了AKI的治療效果。

在今后的研究中，可嘗試通過調節水凝膠載體材料控制其釋放干細胞、生長因子、治療藥物分子中的一種或多種，以更加靈活精確的調控治療腎臟損傷的時間跨度；使用生物活性分子修飾水凝膠，探索將水凝膠支架的局部遞送與生物活性分子的釋放相結合的治療策略以獲得更加顯著的AKI修復效果。此外，修復過程中分子和細胞機制尚未明確，信號的傳導途徑也有待進一步探究，明確上述內容有助于規避治療過程中潛在的不良反應，擴大水凝膠材料在治療AKI上的應用范圍。期待研究者進行深入探索，早日取得突破性進展。