GelMA水凝胶移植修复椎间盘退变的研究进展

胡一村，丛梦雪，蔺茂强，张芮浩，陈祥义，于得臣，周海宇

1兰州大学第二医院骨科，兰州730030；2甘肃省骨关节疾病研究重点实验室；3延边大学附属医院肿瘤科

下腰痛是一组以下背部、腰骶部和臀部疼痛为主要症状的疾病，伴或不伴下肢放射痛。近年来，下腰痛的发病率逐年上升，已成为影响人类健康的重要疾病之一。椎间盘退变（IVDD）是导致中老年人下腰痛和残疾的主要原因。作为一种增龄相关性疾病，IVDD的发病机制尚不完全清楚，炎症反应和细胞凋亡可能是诱发IVDD的主要原因［1-2］。因此，抑制炎症反应或椎间盘（IVD）细胞凋亡是治疗IVDD的有效措施。当出现终板炎、脊髓压迫相关症状时，保守治疗效果往往不明显，大多数患者最终会选择外科手术治疗，如髓核摘除术、腰椎椎体间融合术等［3］。但外科手术有时会引起炎症反应、骨不融合等并发症，这些并发症一直是临床医生面临的难题［4］。甲基丙烯酸酐化明胶（Gel MA）水凝胶是一种光敏性的生物水凝胶材料，具有良好的生物相容性、机械性能可调节性、光固化性能和生物学活性等。作为新一代生物组织工程材料，GelMA水凝胶成为生物医学应用研究的热点，特别是在骨科领域中作为移植材料备受关注。GelMA水凝胶通过携载干细胞、生长因子、药物等，在促进骨融合［5］、消除IVD炎症反应［6］和促进髓核（NP）组织再生［7］等方面发挥重要作用，为IVDD外科治疗奠定了生物学基础。本文结合文献就GelMA水凝胶移植修复IVDD的研究进展作一综述。

1 GelMA水凝胶概述

1.1 GelMA水凝胶生物合成 GelMA水凝胶是明胶与甲基丙烯酸酐（MA）在50℃磷酸盐缓冲液中聚合形成的交联网状混合物，属于光敏性的生物材料。明胶是胶原蛋白的水解产物，属于细胞外基质（ECM）成分，含有许多促进细胞黏附的精氨酸—甘氨酸—天冬氨酸序列以及适合的基质金属蛋白酶靶序列［8］。由于MA的引入，使明胶在紫外光和光固化剂存在的情况下快速聚合，这种聚合反应可以在室温、中性pH、水环境等温和条件下进行，并可控制反应时间［9］。GelMA水凝胶生物合成材料来源广泛，无免疫原性，制备技术成熟以及独特的光固化特性，被认为是携带靶因子治疗临床疾病的首选载体。

1.2 GelMA水凝胶生物学特征 Gel MA水凝胶具有良好的细胞生存和小分子物质附着微环境，这种微环境有利于增加细胞间信号传递，促进细胞增殖和维持细胞定向分化［10］。在特殊光源照射下，GelMA水凝胶被赋予了机械性能可调节性，通过挤压式、3D打印等方法和基于已成熟的生物印刷、自组装和微流体技术对其微加工，生成具有可受控结构的构建体，为细胞增殖和组织再生提供了3D微环境［11］。目前，GelMA水凝胶被广泛用于细胞实验研究，如细胞增殖、分化和迁移等［12］。

GelMA水凝胶保留了明胶出色的生物相容性和生物学活性，并且具有更高的溶解性和更低的抗原性。更重要的是，明胶与MA的聚合赋予了GelMA水凝胶光交联特性，它可以生成甲基丙烯酰骨架，通过机械微调生成速率、酸碱度以及光照时间等方式来满足移植治疗不同疾病的需求［13］。GelMA水凝胶还可诱导间充质干细胞（MSCs）产生更多的ECM、蛋白多糖、胶原蛋白Ⅱ和氨基聚糖等，保障了细胞生长和增殖所需的营养供给，从而促进了组织修复。此外，GelMA水凝胶与天然ECM非常类似，这有利于不同类型细胞在凝胶支架内黏附、扩散和增殖［14］。总之，GelMA水凝胶的生物学特征为移植治疗IVDD奠定了生物学基础。

2 GelMA水凝胶在IVDD移植修复中的作用

近年来，组织工程移植研究发展迅速，但单纯靶细胞或小分子蛋白移植存在移植物丢失或被免疫系统清除的可能，这是单纯靶因子移植的最大障碍［15］。而GelMA水凝胶可搭载干细胞、骨形态发生蛋白或转化生长因子等，能够保证移植分子的稳定性，最大程度发挥移植物诱导成骨分化、消除炎症反应等作用，在一定程度上解决了既往移植疗法的瓶颈［16］。此外，GelMA水凝胶还可直接充当填充剂用于IVD支架的构建和骨缺损治疗。

2.1 负载生长因子，促进骨融合 既往研究表明，MSCs具有向骨、软骨等细胞分化的潜能，并且细胞获取简单、免疫原性低，被认为是促进骨融合最佳的种子细胞［17］。有研究报道，低水平TGF-β可通过直接刺激骨祖细胞分化为成骨细胞，还可通过形成细胞内信号转导分子诱导成骨细胞分化，从而调控成骨细胞增殖，促进骨形成［18］。而GelMA水凝胶能够增强细胞因子诱导MSCs向成骨细胞分化的能力。据报道，相较于14-3-3ε蛋白，GelMA水凝胶诱导人MSCs向成骨细胞分化更具优势［19］。SUN等［20］在大鼠颅骨缺损模型中亦发现，GelMA水凝胶能够诱导MSCs向成骨细胞分化。尽管GelMA水凝胶在人MSCs向成骨细胞分化中的具体机制尚不清楚，但GelMA水凝胶作为细胞因子载体负载MSCs，为手术治疗IVDD提供了理论依据。

2.2 负载药物，抑制炎症反应 众所周知，IVDD属于炎症相关性疾病，而炎症微环境是其发生、发展的重要因素［21］。有研究报道，在IVD切除术后，IVD内炎症反应可持续14 d，且炎症微环境改变与炎症周期呈正相关［22］。因此，准确把握炎症反应时间、控制炎症微环境有利于患者术后恢复。目前，消除炎症反应的主要方法是口服或静脉注射抗炎药物，但IVD无血管组织，口服或静脉注射抗炎药物的疗效甚微，并且合并胃溃疡或高血压的IVDD患者药物口服还可造成胃肠道或心血管损害［23］。因此，迫切需要一种靶向输送抗炎药物的载体。

GelMA水凝胶可负载抗炎药物并将其准确送至炎症部位。LIU等［6］研究发现，通过GelMA水凝胶负载阿司匹林共移植可精准覆盖术后炎症灶，缓解局部炎症反应，缩短炎症周期，维持脊柱结构稳定。GelMA水凝胶负载抗炎药物的优点在于它能够将药物直接送至炎症灶，从而保证局部有效药物浓度，避免口服或静脉注射带来的全身不良反应。随着组织工程技术不断发展和移植技术不断成熟，GelMA水凝胶复合抗炎药物移植治疗IVDD将成为现实。

2.3 构建IVD适宜微环境 无论是动态还是静态，IVD始终承受高水平的纵向和水平机械应力［24］。NP在脊柱的轴向负荷中具有重要作用，它能在相邻椎体之间均匀地分配压力，而纤维环能够很好地保存NP的胶体成分，从而维持NP的位置和形态，以保证整个IVD的负重和轴承作用。目前，学者们一致认为通过早期植入类NP结构，有助于缓冲NP承载的机械压力，但由于IVDD导致IVD结构被破坏，机械性能发生改变，移植细胞的存活率较低。而具有高含水量和流体加压特性的GelMA水凝胶能够方便营养物质和氧气渗透，为NP细胞生长和增殖提供了良好的IVD微环境［25］。

NP组织作为具有特殊免疫功能的解剖区，允许MSCs增殖、分化及ECM生成。研究发现，通过改变MA比例，可有效控制GelMA水凝胶的生物学特性，达到NP细胞再生的IVD微环境［26］。已知5%GelMA水凝胶的交联密度更低，筛孔尺寸更大，其机械和水合特性与天然NP组织类似，这一浓度的GelMA水凝胶有利于维持细胞增殖以及聚集蛋白聚糖和胶原蛋白Ⅱ表达。通过GelMA水凝胶的可注射特点，利用微创方法将干细胞输送至IVD内，可有效恢复NP组织功能，加速ECM合成，从而缓解IVDD的临床症状。

此外，水凝胶还可抑制NP细胞变性。当NP细胞集中在水凝胶表面生长时，细胞增殖不会发生明显变化。XU等［26］合成了一种具有可调节机械和水合特性的光交联GelMA水凝胶，NP细胞可与这种水凝胶有效结合，并且随着GelMA水凝胶浓度增加，封装的NP细胞存活、增殖和ECM沉积逐渐减少，与在水凝胶表面生长的NP细胞正好相反。也有学者发现，接受水凝胶和MSCs联合注射的IVD高度指数以及组织学状况得到显著改善［27］。这些结果表明，水凝胶是构建NP组织工程和修复内源性NP细胞的有力候选者。

2.4 水凝胶3D打印仿生IVD NP组织摘除后的IVD结构遭到破坏，生物应力降低，相邻椎体节段和IVD后部应力发生改变，这会造成脊柱不稳。基于GelMA水凝胶特殊的生物学性能，通过水凝胶3D构建替代摘除的NP组织可能会改善上述问题。范少勇等［28］研究证实，水凝胶可替代猪IVD的NP组织，移植水凝胶替代摘除的NP组织，IVD显示出了良好的黏弹特性，且生物力学性能稳定。此外，PEREZSAN VICENTE等［29］将包含造影剂的水凝胶注入牛离体模型NP腔中，在不同频率下进行轴向压缩—拉伸循环测试，结果发现水凝胶移植后的IVD显示出了良好的生物力学性能，这为水凝胶的临床应用奠定了基础。

现阶段手术治疗IVDD对脊柱局部应力和活动性能的影响不容忽视，亟需寻找IVD损伤后合适的替代材料。有研究发现，GelMA水凝胶可满足特定的组织需求，如由心肌特定的ECM和祖细胞组成的生物打印“心脏补丁”可用于心脏疾病治疗［30］。UYANIKLAR等［31］设计了一种混合的角膜基质构建体用于角膜移植，其疗效确切。目前，GelMA水凝胶在临床器官移植领域中的应用越来越广泛，通过GelMA水凝胶3D构建椎间系统用于IVDD治疗将成为临床研究的热点。

3 GelMA水凝胶的临床应用价值

目前，GelMA水凝胶不仅在整形美容、心脏疾病和眼科疾病等领域得到逐步应用，其在单细胞研究、细胞信号传导、药物和基因传递以及生物传感方面亦表现出一定的应用前景。首先，GelMA水凝胶支架的孔隙和对渗出液的吸收能力，使其负载特定制剂（如氧化石墨烯）可用于功能性伤口愈合，这为临床治疗慢性创伤提供了一种新的治疗方案［32］。其次，由于GelMA水凝胶的生物相容性和机械性能可调节性以及自身存在的生物活性肽序列，使其可在2D或3D实验中充当活性细胞培养基材料，亦可模拟动物体内的微环境。ANTUNES等［33］将人上皮性卵巢癌细胞封装在GelMA水凝胶中培养时发现，卵巢癌细胞显示出高水平的代谢率和球状体形态，有望节约实验成本。随着GelMA水凝胶在临床上进一步应用，将为更多疾病的治疗带来希望。

尽管GelMA水凝胶在医学领域中的应用价值得到学者们广泛认可，但亦存在诸多问题亟需解决。第一，细胞黏附和增殖受GelMA水凝胶浓度、剂量的影响明显，不利于多类型细胞在同一基质中共培养。第二，体外纯GelMA水凝胶降解速度较快，不能满足细胞增殖时间较长的要求。有学者认为，在IVD中度退行性阶段可能是水凝胶移植治疗IVDD的最佳时间，但由于此时临床症状较轻，临床实施难度较大。第三，虽然GelMA水凝胶负载NP细胞作为IVD支架有助于退变IVD的修复，但当NP和纤维环同时遭受损伤时，单一NP细胞移植效果不佳，模拟IVD内的细胞再生和基质结构以及复杂结构的功能仍然是一项严峻的挑战。最后，虽然Gel MA水凝胶已逐步用于治疗心脏疾病和创口愈合等，但在IVD领域的研究主要集中于体外细胞实验，其临床应用尚缺乏统一的标准。因此，进一步优化GelMA水凝胶的生物学特性和制定规范的操作标准是目前亟待解决的问题。

综上所述，GelMA水凝胶既可作为携带生长因子的载体，诱导成骨分化，促进骨愈合，又可通过负载药物抑制IVD炎症反应，减少术后并发症的发生。同时，GelMA水凝胶还可负载IVD细胞，从而有效补充外科手术过程中丢失的IVD细胞和细胞外基质成分。此外，GelMA水凝胶还能构建IVD适宜微环境，3D打印IVD，从而形成IVD移植的组织再生支架。因此，GelMA水凝胶移植有可能成为外科治疗IVDD的有效手段。