水凝胶作为递送基质促进急性肾损伤修复再生的研究进展

田绍强

（沈阳市第一人民医院急诊科，辽宁 沈阳 110041）

急性肾损伤（acute kidney injury，AKI）是由多种病因导致的肾脏结构和功能异常（包括血、尿、组织检测或影像学方面的肾损伤标志物的异常）。临床上，肾脏缺血、药物肾毒素和败血症均可能导致AKI的发生。AKI具有高发病率、高病死率和高医疗费用等特点，已成为全球性的公共卫生问题[1-2]。据统计，每年约1 330万患者受急性肾损伤的困扰，且直接或间接导致约170万人死亡[3]；存活患者也易发展为慢性肾病（chroinc kidney disease，CKD）乃至终末期肾病（end stage renal disease，ESRD）[4-5]。尽管在病理生理学关于AKI的理解和认识在不断进步，但急性肾损伤现有的治疗方法多为支持性疗法（透析和肾移植），由于其并发症多、医疗费用昂贵及肾源不足等缺点而导致应用受限[6]；AKI的多因素病因和复杂的临床过程显著增加寻找特效药或治疗方法的难度，需相关研究人员持续不断的研究和探索，以取得AKI治疗手段的新突破。

近几十年来，干细胞疗法成为修复和治疗AKI的有效手段[7-8]，为保证治疗效率，通常将干细胞直接输送至受损的肾脏部位，通过免疫调节修复受损部位[9]，但这种局部直接注入的递送方式很难获得较高的细胞植入效率，细胞的存活率也偏低[10]，这可能是由于缺乏细胞-基质之间相互作用，导致细胞在体内不利的微环境中发生失巢凋亡所致[11-12]。因此，采取干细胞直接递送的方式对AKI修复效果不佳；同时，也有研究将外源性生长因子或使用生长因子修饰的干细胞植入肾损伤部位，以考察其对AKI的修复[13-14]，通过生长因子的抗凋亡和抗炎机制等促进动物模型急性肾损伤的改善，但远未达到临床应用的治疗效果。总体来看，目前诸多通过直接向肾脏损伤部位递送干细胞、外源性生长因子或治疗性药物治疗AKI的研究均受制于干细胞的存活率或生长因子和药物的递送效率等问题，未达到满意的修复效果。

水凝胶是一类含有三维空间网络结构，在水中具有溶胀而不溶解特性的聚合物材料[15]，具有高吸水性、优良的力学性能和生物相容性[16]，还具有可调的生物学性能、较小的组织刺激性和低细胞、蛋白质表面粘附的倾向性等显著特点。因此，水凝胶在生物医学、组织工程等领域得到广泛应用[17-18]。近年来，有不少研究人员以生物工程水凝胶为载体将干细胞、生长因子或治疗性药物递送至病灶部位，尝试通过水凝胶材料改善局部微环境，延长细胞、生长因子或治疗药物在肾脏损伤部位的留存时间以促进器官组织学和功能学的修复，期望增强治疗效果，提升靶向疗效，以实现对急性肾损伤的高效修复和治疗目的。

1 水凝胶递送干细胞修复AKI

有研究者选取水凝胶为递送基质，通过将负载有不同种类干细胞的水凝胶材料靶向递送至肾脏损伤部位，以期望解决常规的干细胞疗法中的多种问题，改善体内损伤处的微环境，提高细胞存活率，增强AKI的修复效果。

壳聚糖、透明质酸和胶原蛋白均具有良好的生物相容性，制备成水凝胶后具有可注射性，可作为性能优良的载体材料。Gao J等[19-20]制备了一种温敏性壳聚糖氯化物（thermosensitive chitosan chloride，CSCl）水凝胶用作可注射支架材料，其中负载脂肪源性骨髓间充质干细胞（adipose derived MSCs，ADMSCs）植入损伤部位，用于治疗缺血再灌注（I/R）所引起的AKI。结果表明，CSCl Gel/ADMSCs支架材料能通过清除活性氧（reactive oxygen species，ROS）以有效改善AKI处的微环境，提高ADMSCs植入的存活率并增强宿主肾细胞的增殖活性，增加微血管密度并促进神经血管的形成，减少细胞凋亡，改善AKI的治疗效果，增强肾功能的恢复。Feng G[21]则以壳聚糖为基质，将胰岛素样生长因子-1的C结构域肽（insulin-like growth factor-1，IGF-1C）固定于壳聚糖上，成功制备了一种新型生物活性水凝胶。随后通过将脂肪间充质干细胞（adipose-derived mesenchymal stem cells，ADSCs）与该水凝胶共同植入肾损伤部位以考察其对AKI后肾再生的作用效果，实验结果表明，该生物活性水凝胶能为ADSCs提供良好的微环境，提高细胞在肾损伤部位的存活率并促进血管的生成，且有助于AKI后肾再生过程中细胞基质的锚定和细胞增殖与炎症的调节，实现生物活性水凝胶作为载体材料对移植细胞特定功能的增强，从而显著增强AKI的修复效果，有望成为AKI治疗领域的候选材料[21]。此外，还可利用壳聚糖的温敏特性和生物可降解性的特点，尝试调节干细胞的释放速率以获得更高的细胞存活率及修复效果。

透明质酸（hyaluronic acid，HA）是细胞外基质和干细胞巢的固有成分，植入体内后能通过透明质酸酶/胶原酶溶解水凝胶释放干细胞而不损害细胞，且不会引起全身效应；在HA水凝胶中包埋内皮祖细胞（endothelial progenitor cells，EPCs），递送至败血症诱导引起的AKI动物模型后发现，包含有EPCs的HA水凝胶能在损伤处提供利于细胞存活和增殖的微环境，同时，也提供对循环细胞、内毒素及肾脏的保护，该策略能增强干细胞疗法对AKI的治疗效果[22]。此外，笔者在以往的研究工作中发现，与单独递送EPCs相比，使用HA水凝胶联合递送EPCs和MSCs对肾损伤处的肾微循环和肾功能的改善作用更显著，相关的作用机制还有待进一步通过实验研究确定[23]。

Huang S等[24]以胶原蛋白和脱细胞血管基质成功制备了一种新型的共凝胶材料，共凝胶材料的开发尝试克服单一的水凝胶材料可能存在的潜在限制。随后将MSCs负载于共凝胶材料上植入I/R诱导引起的AKI的大鼠模型中，并对其生物学功能进行详细的研究和探讨。实验表明，共凝胶能增强MSCs的旁分泌作用并减少干细胞的凋亡；体内AKI动物模型移植结果验证共凝胶材料能显著提高MSCs的存活率，促进血管的形成和肾脏功能的恢复，增强AKI的治疗效果[24]，成为修复AKI的候选生物材料。

自组装多肽水凝胶由于其可逆性、良好的生物可降解性和生物相容性等特点也被研究者用于设计构建干细胞的载体材料。Li Q等[25]将由自组装多肽和水构成的水凝胶与肾祖细胞（renal progenitor ce1ls，RPCs）共同移植到大鼠缺血再灌注损伤（ischemia-reperfusion injury，IRI）模型中，通过肾功能相关标志物和肾脏组织学来评估治疗效果，所使用的RPCs通过在肾上皮细胞培养液中加入多种肾源性因子，刺激诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）分化而成。实验结果证明，该修复策略能调节受损肾脏的微环境，促进细胞增殖并减少细胞凋亡以保护AKI大鼠免受肾功能损害和严重的肾小管损伤[25]。Wang H等[26]将萘（naphthalene，Nap）共价连接至短D型肽（Nap-DFDFG）和IGF-1C，通过自组装多肽成功构建一类功能性水凝胶（β-IGF-1C）。随后将β-IGF-1C水凝胶与人胎盘来源的间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSC）共同移植至小鼠的AKI模型中，结果表明，所制备的水凝胶能为MSCs提供有利的微环境，促进细胞存活和血管再生，有助于肾脏损伤部位的内源性再生，从而实现肾脏功能的恢复[26]。二者的研究提出一种将自组装多肽水凝胶与干细胞共植入治疗AKI的新策略，为组织工程和再生医学的平台相结合提供新的发展思路。

2 水凝胶递送生长因子修复AKI

在发生急性肾损伤时，给予相应种类的外源性生长因子能发挥细胞保护作用，抑制细胞凋亡、加速细胞增殖并促进肾组织的修复。以水凝胶材料为载体，期望能高效靶向递送生长因子至肾受损部位，修复肾脏损伤。

Tsurkan MV等[27]制备了由多臂聚乙二醇和肝素组成的微米级水凝胶颗粒的黏弹性、可注射的聚集体，其中肝素的引入被用于结合、保护和释放大量的生长因子（growth factors，GFs），并对聚集体进行部位特异性旁分泌刺激组织再生的测试。选取小鼠横纹肌溶解所致的急性肾损伤为模型，将负载有鼠表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）或碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）的水凝胶注射入小鼠的左肾中，以观察研究体内生长因子的递送情况。实验结果显示，与未注射负载GFs的水凝胶相比，负载两种不同生长因子的水凝胶均可不同程度促进肾脏的细胞增殖，实现对模型小鼠AKI的修复作用；同时，验证了水凝胶作为GFs的局部沉积物，能在体内释放时刺激旁分泌效应。同样，Soranno DE等[28]考察了使用可注射的HA水凝胶向受损的肾脏持续递送白介素-10（interleukin，IL-10）能否减轻AKI引起的炎性级联反应和肾脏纤维化，研究发现HA水凝胶在递送IL-10的过程中未对机体产生不良影响，能有效改善肾脏疾病的组织学和功能预后，减轻AKI后发生的全身或局部性炎症。笔者提出可注射HA水凝胶可能是通过淬灭损伤部位附近的促炎细胞因子而具有有益的免疫调节作用的假设，但仍需后续的实验研究加以佐证。

3 水凝胶递送治疗药物修复AKI

以水凝胶为载体材料负载AKI相关的治疗性药物，递送至动物模型中同样对AKI具有一定的修复效果。Zhao M等[29]在研究中将线粒体靶向抗氧化剂-2，2，6，6-四甲基哌啶-氮-氧化物（Tempo）（MT）使用可注射天冬氨酸纳米纤维水凝胶进行负载，该水凝胶是以自组装多肽水凝胶为载体基础进行设计构建；期望该递送体系能克服MT在体内半衰期短、不良反应大的缺点，用于AKI后持续性线粒体损伤的长效治疗。结果表明，可注射天冬氨酸可自组装成交联纳米纤维水凝胶，对MT具有长效缓释的作用，能对IRI所诱导的小鼠肾脏线粒体功能障碍发挥持续的保护作用，减轻IRI后的肾小管损伤和炎症反应，从而改善AKI的长期预后。该研究提供了一种颇具吸引力的AKI后线粒体损伤的治疗修复策略。此外，Liu H等[30]成功构建唾液酸修饰的地塞米松磷酸钠（dexamethasone sodium phosphate，DSP）-负载的脂质磷酸钙凝胶核心纳米颗粒（SA-NPs），用于靶向治疗I/R诱导的AKI。基于DSP可与Ca2+结合形成水凝胶的特性，制备DSPCa2+凝胶核以提高DSP的载药量和包封率，纳米粒的缓释作用有效地延长了DSP在体内的滞留时间，研究[30]表明，SA-NPs能明显改善肾功能，降低促炎因子水平，调节氧化应激因子和凋亡蛋白的表达；在AKI小鼠模型中具有更好的疗效和更少的不良反应，有望为AKI安全有效的靶向治疗提供新的策略。由此可见，将治疗性药物利用水凝胶特性包被其中，递送至损伤部位能有效避免全身性给药所带来的不良反应，增加靶向区域的药物浓度，延长药物的缓释时间，达到提升修复效果的目的。

4 总结与展望

通过直接植入或递送干细胞、生长因子或治疗药物在AKI动物模型的治疗方面取得一定的进展，但同时也面临严峻的考验，其中包括干细胞存活率低、生长因子和治疗药物递送效率低、旁分泌能力受损等，显著限制其临床应用，影响损伤后的修复效果[31]。如通过静脉注射直接递送干细胞时，其中不足3%的递送细胞能到达肾脏的受损部位，而大部分干细胞被注射到受损组织后会面临不利的微环境，包括纤维化、炎症反应和AKI后产生的ROS等[32-33]。肾脏损伤部位恶劣的微环境，会使干细胞发生凋亡，外源性生长因子或治疗药物可能在未向受损组织提供任何治疗益处前被当作异物清除，难以发挥更好的修复效果。

水凝胶（包括壳聚糖水凝胶、透明质酸水凝胶、自组装多肽水凝胶及共凝胶等）作为一类性能优异的生物材料能向肾脏损伤部位靶向递送干细胞、外源性生长因子或治疗药物，对AKI的修复效果均有提升。水凝胶材料作为递送载体时能从多方面加强肾脏损伤的修复：首先水凝胶可将干细胞、生长因子或治疗药物等局部靶向递送至肾脏损伤部位，将全身性不良反应降至最低，提高存活率和递送效率；其次，在靶向释放前水凝胶将其包被在材料内部，可保护目标递送物质免受炎症反应、肾脏纤维化等不利生理环境的影响[34]；最后，能为递送物质提供类似于内源性细胞外基质的微环境[35]，使其能最大限度地发挥治疗潜力，抑制炎症反应，促进血管生成，减轻纤维化，显著增强了AKI的治疗效果。

在今后的研究中，可尝试通过调节水凝胶载体材料控制其释放干细胞、生长因子、治疗药物分子中的一种或多种，以更加灵活精确的调控治疗肾脏损伤的时间跨度；使用生物活性分子修饰水凝胶，探索将水凝胶支架的局部递送与生物活性分子的释放相结合的治疗策略以获得更加显著的AKI修复效果。此外，修复过程中分子和细胞机制尚未明确，信号的传导途径也有待进一步探究，明确上述内容有助于规避治疗过程中潜在的不良反应，扩大水凝胶材料在治疗AKI上的应用范围。期待研究者进行深入探索，早日取得突破性进展。