学科跨界:依托于植物构架的组织体外再建和纳米医学

摘要：动植物跨界交叉应用于器官组织工程是利用了植物材料的低免疫源性。这不仅可能彻底解决器官组织再生医学中的关键问题——受体移植物免疫排斥性，而且使得植物构架在与纳米技术等结合后可实现如光合动物和植物纳米3D打印等科幻般的前沿技术。

本文对跨界工作的应用性和前景性进行了综述。植物构架除了保留了动物构架的特性和其独特优越的生物兼容性外，其生产成本低，无伦理和供给量束缚，操作简单，适于大规模的生产和研究。它的可修饰性以及完整的脉管系统使其适合多种干细胞的构建，促进血管生成，在心脏再生生物学和骨组织再生生物学等可得到很好的应用。植物构架可以提供干细胞增殖分化最佳3D环境，使其实现在体器官的构建、体外组织的再生或者制药的体外基础研究系统。

植物材料特有的低免疫源性的兼容特征使其必将为器官组织工程不可替代的材料，有着不可估量的应用前景。

关键词：组织再生构建;植物构架（Scaffold）;水凝胶;纳米科学

一、前言

利用植物构建的低免疫源性来解决器官或组织工程学中移植物的免疫排斥问题，进而用于人体解决器官组织再生问题具有非常广阔的应用前景。植物构架除了保留了动物构架的特性和其独特优越的生物兼容性外，其生产成本低，无伦理和供给量束缚，操作简单，适于大规模的生产和研究。

现今，对植物构架的研究现在才刚刚起步，它在组织工程中的应用还需要进一步的完善。在与纳米3D热点技术、干细胞、CRISPR基因编辑等技术结合后，植物材料特有的低免疫源性的兼容特征使其必将为器官组织工程不可替代的材料，有着不可估量的应用前景。

二、植物构架大孔径、高弹力、形状记忆和可修饰性特性与再生生物学

（一）植物构架与动物心脏再生生物学

心脏组织工程主要是使用功能性生物材料构建生物活性构架，模仿天然组织形态和生理功能，进而重塑现有心脏组织的移植方案。在心脏组织工程中，植物脱细胞构架较其他构架显现出很好的生物兼容性。植物构架拥有完整的细胞外基质和脉管网络，进而提供干细胞时空生长因子和营养成分，从而较其他构架对治疗更大创伤表现出明显优势。

1.植物构架与细胞及成体多功能干细胞

2017年Gaudette团队以菠菜叶为实验对象进行的一系列实验证明了细胞及多功能干细胞可实现在植物脱细胞构架上的构建，与此同时，Pelling等团队证明了植物构架有明显的促血管生成作用，从而导致功能性血管在构架上的生长。植物脱细胞构架较动物性构架脱细胞化步骤简单，且残余成分低抗源性，生物兼容性好，同动物脱细胞构架一样可供心肌细胞存活和工作。

2.多种动物细胞在植物构架上的复合细胞构建

在动物及人体中，每一个器官组织都是由多种细胞在发育中渐行分化特异形成，因而细胞在植物构架上组织构建也必然是多种细胞复合构建而成，也正因为如此，多功能干细胞的应用正好顺应该条件需求。用于再细胞化的种子细胞通常使用多种细胞如胚胎干细胞、诱导多能干细胞或间充质干细胞等。植物构架可供多种可用于再细胞化的干细胞存活和增殖，在器官构建中，各种干细胞被接种到器官构架上。

（二）植物构架与骨组织再生构建

1.植物构架与软骨构建

植物构架用于软骨构建大都为植物纤维素制成的注射型水凝胶，也是最早的骨组织工程构建研究领域。2018年发表的一项研究将植物来源的多糖羧甲基纤维素（CMC）硫酸化，结合以往的研究结果将其与明胶共同制备成可用于注射的大孔构架。该植物构架以其特有的形状记忆特性和其对生长因子的粘附力，有效模拟了软骨修复的天然软骨再生的复杂性过程。英国皇家学院Stevens等科学研究者在前人的工作基础上，于2016年使用重组链球菌胶原样蛋白和三种促软骨形成多肽序列构建骨架，而后与基质金属蛋白酶（mmp7）和聚蛋白多糖酶（ADAMT-S4）按一定的比例交联形成可生物降解的水凝胶。这种交联构建使人间充质干细胞表现出更强的软骨形成特征，这些研究为人类软骨再生和修复提供了成本低的植物材料构建体系，并为骨骼动力学功能研究提供了体外模式。

2.植物构架与成骨细胞活性

美国内布拉斯加大学林肯分校的Yang 等发现小麦麦谷蛋白膜显示出了较聚乳酸PLA膜更好的成骨细胞增殖特性。他将麦谷蛋白、麦醇溶蛋白和两者混合而成的小麦面筋分别加工成膜，并与聚乳酸PLA膜进行比较，发现麦谷蛋白明显有益于成骨细胞的粘附和增殖，以及有着优于PLA膜更广泛的flagella化。这说明小麦麦谷蛋白若与上述其他构架材料共同使用获得的复合材料，可能成为组织工程中优良的动植物复合构架。

（三）植物构架的可修饰性

器官组织的植物构架易于应用基因修饰技术，过表达目标基因表达出特定修饰的植物源动物蛋白，从而使植物构架兼容动物细胞构架必要特质，使种子细胞生长分化构建成器官组织。

Shilo等将基于转基因烟草生产的重组人源胶原蛋白（rhCollagen）的凝胶制剂注入到大鼠急性全厚度皮肤伤口愈合模型中。相较于牛胶原蛋白和人体皮肤胶原蛋白，rhCollagen凝胶制剂加速了伤口的闭合，并引发了愈合过程的启动，伴有更强烈的再上皮化，观察到了早期血管生成反应和减少的炎症反应，这种治疗可能会对较深的伤口有利，从而可以缩短愈合时间。这为慢性伤口的愈合提供了组织工程学生物兼容性好、低成本的材料。植物构架不仅保持了动物源构架的优异性能，而且制备更加方便，操作工序简单，造价低。相较天然牛胶原蛋白，只引起极低的免疫反应。

三、现代纳米技术使植物构架提供动物细胞生长分化的组织工程3D环境

納米技术是当今材料科学令人注目的学科，近年来它的发展成为加速现代科学技术的关键。器官组织工程学与纳米技术的结合，使得植物构架为干细胞提供更加精密的3D环境，为其增殖、迁移和分化提供更为精准的调控。

使用纳米技术改良的植物构架可改善种子细胞的增殖、粘附和分化已被赫尔辛基大学的研究人员以及Korrapati等科学工作者证实，众多研究从机理上证明了纳米级精密形貌结构更利于细胞和干细胞的粘附、增殖和迁徙。

利用纳米多孔3D植物构架，科技工作者制备了良好互通的纳米孔构架，并应用于骨骼的构建。上海东方医院的Wu等将纳米多孔透辉石生物玻璃（nDPB）添加于醇溶蛋白的基质中，通过溶液压缩和颗粒浸出的方法制备了大纳米多孔植物构架，分别进行体外和体内实验。此纳米孔构架上，nDPB对MC3T3-E1在构架上的粘附和生长有促进作用，这种促进作用与其含量正相关。体内实验证明，nDPB也可改善成骨特性和可降解性，I型胶原蛋白的表达明显增加，表明骨形成良好。依据临床需要，植物构架也可以提供2D细胞环境应用于组织工程。

四、现代纳米技术等使植物构架成为有效制药的体外基础研究系统

器官组织工程学的发展已经进入到新的时期，大量的研究报道已经把纳米技术作为构建植物构架的基本技术，因而以下总结的研究工作包括心肌组织再生、藻类和动物细胞的复合嵌合组织功能检测和干细胞纳米3D打印等，均以纳米级别的植物构架上接种细胞而获得。

（一）植物构架用于心脏构建再生元件供氧研究的模型

组织工程临床使用的重要问题是所构建组织的氧供应问题，而通常构架氧气的供应范围非常局限。目前针对这个问题而开发的技术有高压氧法、全氟化碳（PFC）技术和过氧化物法等。高压氧法伴随细胞毒性和炎症反应，效果较差;全氟化碳无法提供持续释放的氧气;过氧化物法有细胞毒性。俄亥俄州立大学使用可注射快速凝胶化的水凝胶混合电喷雾制备的释放氧气的微球制成输氧系统，经过评估在供氧能力上有较大的改观，在低氧条件下心肌细胞、内皮细胞和心脏成纤维细胞的存活均有统计学意义的增长。2016年，Egana等将转入了血管内皮生成因子VEGF的绿藻细胞接种于生物活性构架上，建立了光合自养构架系统，为解决供氧难题打开了新的思路。

2017年日本Teruo将绿藻与大鼠心肌细胞或小鼠C2C12心肌细胞在体外共培养，创建了重构三维组织。绿藻细胞产生大量的氧气提供给较厚的心脏细胞层的细胞，使其从无氧呼吸改变为有氧呼吸，显示出良好的组织状态;同时伴随乳酸盐和氨的产生量显著降低，以及心肌细胞损伤的CK释放量显著降低。该复合植物构架在体外培养出了更厚的心脏组织的详尽实验数据表明，新型绿藻植物3D构架很有可能为解决组织工程中因血管化不足导致的缺氧问题，提供了极为有效的解决方式。

（二）体外构建再生元件的免疫学研究

正如前面讨论的一样，体外构建的光合自养构架除具有优秀的生物兼容性外，是否具有良好的非免疫源性也将是决定这种光合自养构架是否能能够真正应用于临床的决定因素。2015年Egana等使用纤维蛋白水凝胶为载体，将单细胞绿藻接种于整合构架，在持续光照室温下培养3天，移植于小鼠体内。体内实验证明，绿藻的存在不会引发小鼠的天然免疫反应，且可在体内存活5天以上，该构架形态结构完整细胞有活性，并产生了由藻类和鼠类细胞组成的嵌合组织。次年，他将血管内皮生成因子VEGF的绿藻细胞种植于整合构架上，移植于免疫系统正常的小鼠内，该构架在免疫系统正常的小鼠内没有引起显著的免疫应答和炎症。他们的研究结果明确表明，绿藻光合自养构架有不可估量的应用前景。

（三）光合脊椎动物的实质性探索研究

有未来学预测，动物学和植物学学科交叉可能出现科幻影片中的光合脊椎动物，也就是经过生物工程的改造，包括人类脊椎动物在内的动物个体可以像植物那样从阳光中获取能量。近年来，实质性探索研究使人感觉到这类学科交叉不再停留在科幻的领域。Egana等在2015年将单细胞绿藻注入斑马鱼卵中，检测两种生物的相互作用和活力。他们发现，绿藻细胞分布于斑马鱼不同的组织中，进而形成鱼藻嵌合体。进一步的检测证明藻类在斑马鱼中存活并保持代谢功能至少3天，且绿藻在鱼类中并没有引发炎症。虽然高浓度的藻类会引起斑马鱼卵的死亡（这可能是藻类对早期鱼类发育的物理干扰造成的）。此项研究为光合脊椎动物的设计成为现实提供最初但鼓舞人心的实质性进展。

（四）纳米技术3D打印、干细胞发育分化体系与植物构架的联合

植物构架作为具有众多优势的器官组织过程体系，由于具有易于体外操作的特性，可以与众多现代革命性技术相联合，彰显出重大的应用前景。今年，清华大学使用羟丙基几丁质作为生物墨水的3D细胞印刷技术对人诱导多能干细胞进行扩增，该研究揭示了非离子交联bioink的独特优势材料HPCH，包括高凝胶强度和hiPSC印刷中的快速温度响应，并首次实现了底漆状态hiPSC印刷。在该研究中实现的特征，例如高细胞产量，高多能性维持和均匀聚集，为进一步的关于3D微组织分化和药物筛选的hiPSC研究提供了良好的基础。

五、结论与展望

植物构架不仅有动物性构架的特性提供干细胞所需的3D环境和脉管系统，而且它具有非常优秀的免疫兼容性和可修饰性，使之应用于心脏组织工程和骨工程等领域，适用于多种干细胞的增殖和分化，并且同时能够促进血管发育和分化。纳米级精细结构的植物构架用于在体器官或组织的再生和体外组织的再生研究和临床应用提供了不可多得的精密器官组织工程材料。

植物构架应用于器官组织工程的研究尚属于初级阶段，植物组织材料具有的几大特点为之奠定了应用基础。（一）植物结构成分的多样性。对于脱细胞材料，不同器官的构建需要相应适合的材料。如菠菜叶的叶脉结构更适合如心脏组织的高度血管化的器官，而凤仙花茎的圆柱形中空结构可能更适合作为动脉移植物构架。（二）有些植物蛋白或多糖作为构架需要通过基因表达进行蛋白修饰或纯化，植物构架在这方面也显示了其独到的优势。（三）各类蛋白最适环境不同，导致植物构架适合酸性环境。所以植物构架蛋白或多糖适合性尚需更多的基础研究来揭示。（四）植物构架制备获取的材料处理的方法尚待完善，特别是构建纳米级微环境，无论是体外还是在体应用都需要更多交叉学科的介入。植物构架具有诸多优于动物性構架的特性，它修饰性好且无污染和无病原;成本低且制作流程简单，适用于大规模的生产和基础研究。随着纳米级微环境植物构架的不断完善，结构记忆性和3D打印方式的引入，其独到的低免疫源性的兼容特征使其必将为器官组织工程不可替代的精密材料。

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（作者系陜西师范大学生命科学学院在读硕士）