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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2024-05-22 18:26
生物材料的選擇是組織工程和再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用發(fā)展中必不可少的一步。來(lái)源于細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的生物材料具有允許生理上重現(xiàn)幾個(gè)過(guò)程的特性，這些過(guò)程導(dǎo)致內(nèi)環(huán)境平衡組織或器官功能的重建。本文綜述了用于分離和加工ECM衍生生物材料的主要策略，以及用于表征其特性的不同技術(shù)。最后，對(duì)它們?cè)谛g(shù)語(yǔ)領(lǐng)域的一些應(yīng)用進(jìn)行了探索和討論。
1. 引言
組織工程和再生醫(yī)學(xué)(TERM)是一個(gè)跨學(xué)科的領(lǐng)域，旨在找到修復(fù)或再生受損組織和器官的解決方案。為了實(shí)現(xiàn)這樣的解決方案，通常需要一種ECM替代物，例如支架，并且使用來(lái)自天然或合成來(lái)源的生物材料來(lái)獲得所述替代物。理想的生物材料應(yīng)該結(jié)合了合成材料和自然材料的最佳特性，為了實(shí)現(xiàn)更高的再生/修復(fù)潛力，生物材料應(yīng)該為細(xì)胞提供良好的微環(huán)境?？紤]到這一點(diǎn)，在過(guò)去的幾年里，一組特殊的生物材料引起了更大的興趣：細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)衍生的生物材料。ECM是一個(gè)復(fù)雜的細(xì)胞產(chǎn)生的3D網(wǎng)絡(luò)，它將細(xì)胞嵌入全身的組織和器官中，支持它們的功能和生存。
本文的目的是綜述制備細(xì)胞外基質(zhì)衍生生物材料的主要方法，從不同的來(lái)源(器官/組織或細(xì)胞培養(yǎng))，到不同的脫細(xì)胞過(guò)程(，表征類型(生化、化學(xué)、物理、形態(tài)和生物)，最后是在該術(shù)語(yǔ)領(lǐng)域的特定應(yīng)用(水凝膠、生物印刷和靜電紡絲)(圖1)。
2. 細(xì)胞外基質(zhì)成分與細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)
細(xì)胞外基質(zhì)是由體內(nèi)不同組織內(nèi)的細(xì)胞產(chǎn)生的有組織的3D網(wǎng)絡(luò)，由幾個(gè)大分子組成，其最終組成因組織而異。。ECM是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)，在生理和病理?xiàng)l件下(如癌癥)，它會(huì)被多次翻譯后修飾和重塑而不斷改變。根據(jù)ECM的作用，這些蛋白質(zhì)可以分為兩類，即結(jié)構(gòu)蛋白(纖維蛋白)和非結(jié)構(gòu)蛋白(蛋白多糖和糖蛋白)。細(xì)胞外基質(zhì)的其他基本成分包括生長(zhǎng)因子(GFS)、整合素和各種基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs) (圖2)。
2.1 膠原蛋白
膠原蛋白是ECM中最豐富的纖維蛋白。事實(shí)上，它是人體結(jié)締組織(如肌腱和皮膚)中最豐富的蛋白質(zhì)，大約有30個(gè)已確定的亞型。該分子參與多種機(jī)制，如旁分泌調(diào)節(jié)細(xì)胞行為，促進(jìn)粘附、增殖和分化。
2.2 彈性蛋白
彈性蛋白是另一種主要的細(xì)胞外基質(zhì)纖維，由原彈性蛋白亞基與一層纖維蛋白微原纖維交聯(lián)而成，后者構(gòu)成彈性纖維。這一特性允許富含彈性蛋白的組織具有彈性，并允許它們?cè)谑艿椒磸?fù)拉伸時(shí)恢復(fù)/回彈。彈性蛋白作為生物材料被廣泛應(yīng)用于組織工程。
2.3 纖維連接蛋白
纖維連接蛋白表達(dá)在多種細(xì)胞類型的基膜上，這些細(xì)胞在脊椎動(dòng)物發(fā)育過(guò)程中具有必要的功能。纖維連接蛋白和整合素之間的相互作用是最佳細(xì)胞外基質(zhì)形成的基礎(chǔ)，而細(xì)胞黏附和遷移又需要細(xì)胞外基質(zhì)，影響無(wú)數(shù)的過(guò)程。纖維連接蛋白也與心血管疾病和腫瘤進(jìn)展有關(guān)。
2.4 層粘連蛋白家族
層粘連蛋白家族由基底膜中的多結(jié)構(gòu)域、異三聚體糖蛋白組成，與其他細(xì)胞外基質(zhì)成分交聯(lián)。這些三聚體亞型中的每一種都由3條鏈(α，β和γ)組成，根據(jù)它們的細(xì)胞和組織特異性，它們以不同的遺傳形式存在。這些蛋白質(zhì)與血管生成有關(guān)，有助于血管的生長(zhǎng)和成熟。
2.5糖胺多聚糖
糖胺多聚糖(GAG)是一組由二糖重復(fù)單元組成的線性多糖。由于其顯著的結(jié)構(gòu)多樣性，GAG具有與廣泛的生物分子相互作用的能力。這些相互作用在各種生物過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，包括細(xì)胞遷移、分裂、血管生成和膠原纖維形成。此外，GAG在治療血栓、新生血管、癌癥和炎癥等病理疾病方面顯示出治療潛力，使其非常適合治療應(yīng)用。
2.6腱生蛋白
腱生蛋白是ECM糖蛋白的一個(gè)多功能基團(tuán)，其中腱生蛋白-C是最早被描述和研究最好的。腱生蛋白家族的其他成員包括腱生蛋白-R、-W、-X和-Y。腱生蛋白具有獨(dú)特的模塊結(jié)構(gòu)，由不同數(shù)量的重復(fù)結(jié)構(gòu)域組成的相同亞基組成，其中包括七肽重復(fù)序列、一系列纖維連接蛋白III型結(jié)構(gòu)域、表皮生長(zhǎng)因子樣重復(fù)序列和C-末端球狀結(jié)構(gòu)域。
2.7 其他成分包括整合素，生長(zhǎng)因子，基質(zhì)金屬蛋白酶
3. 細(xì)胞外基質(zhì)的分離和脫細(xì)胞
3.1來(lái)自組織/器官
如前所述，功能組織修復(fù)領(lǐng)域術(shù)語(yǔ)的方法之一集中在使用由生物材料制成的支架。這些生物材料可歸類為合成材料或從生物來(lái)源收集的自然材料。ECM衍生的生物材料是天然來(lái)源的生物材料的一個(gè)例子。這些材料可以包括完整的細(xì)胞外基質(zhì)提取物或純化的細(xì)胞外基質(zhì)成分，如I型膠原、層粘連蛋白、纖維連接蛋白或透明質(zhì)酸。合成的材料可以作為模板，為功能性組織修復(fù)提供重要的信號(hào)分子。圖3描述了物理和化學(xué)脫細(xì)胞過(guò)程對(duì)分離的ECM的機(jī)械和物理化學(xué)性能的影響的比較。圖4展示了組織脫細(xì)胞及其形態(tài)和物理化學(xué)特征的例子。
3.2 來(lái)自細(xì)胞培養(yǎng)
從人或動(dòng)物來(lái)源的脫細(xì)胞組織中分離出的細(xì)胞外基質(zhì)是臨床上最成功的生物材料之一。然而，它也存在一些限制，比如它的可用性有限。細(xì)胞培養(yǎng)來(lái)源的細(xì)胞外基質(zhì)(CC-ECM)能夠克服組織來(lái)源的細(xì)胞外基質(zhì)所帶來(lái)的諸多限制，并具有能夠在很大程度上重現(xiàn)天然組織復(fù)雜生物系統(tǒng)的特性。因此，CC-ECM支架在長(zhǎng)期應(yīng)用中取得了顯著的效。
4. ECM表征方法
如前所述，感興趣的材料(組織/器官或細(xì)胞培養(yǎng))的脫細(xì)胞過(guò)程不可避免地會(huì)對(duì)提取的細(xì)胞外基質(zhì)造成變化。因此，有必要評(píng)估加工步驟對(duì)最終產(chǎn)品的成分和生物性能的影響。要做到這一點(diǎn)，通常會(huì)進(jìn)行幾種方法分析。通過(guò)比色分析、SDS-PAGE、Western Blot、免疫組織化學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、FTIR和拉曼光譜以及圓二色譜對(duì)提取的細(xì)胞外基質(zhì)的化學(xué)組成、生化組成和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了評(píng)價(jià)。ECM的物理性能也可以通過(guò)流變學(xué)進(jìn)行測(cè)定，而其熱穩(wěn)定性則通過(guò)差示掃描量熱法進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，可以通過(guò)掃描和透射電子顯微鏡以及原子力顯微鏡等幾種顯微技術(shù)對(duì)所得到的材料進(jìn)行超微結(jié)構(gòu)評(píng)估(形態(tài))。最后，在體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中對(duì)ECM衍生的構(gòu)建物進(jìn)行了功能生物學(xué)表征。
圖5提供了一個(gè)流程圖，以幫助研究人員使用脫細(xì)胞ECM選擇最合適的表征技術(shù)，以評(píng)估不同的特征。
4.1化學(xué)、生化和結(jié)構(gòu)表征
4.1.1 SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳和Western 免疫印跡
為了評(píng)估脫細(xì)胞處理后的成分，通常使用SDSPAGE(十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳法)比較ECM提取物中的蛋白質(zhì)圖譜。SDS-PAGE是一種通過(guò)在多孔凝膠中使用電流來(lái)根據(jù)蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量分離蛋白質(zhì)的技術(shù)。
4.1.2比色法
基于染料標(biāo)記技術(shù)的定量方法是測(cè)定ECM組分的最常用的方法之一?？梢钥焖?、可靠、經(jīng)濟(jì)和靈敏地對(duì)主要元素，如膠原(總的、不溶的或可溶的)、彈性蛋白和GAG進(jìn)行定量分析。比色分析以快速的程序提供了有價(jià)值的信息。從作者的觀點(diǎn)來(lái)看，比色分析提供了對(duì)從SDS-PAGE和Western Blot獲得的數(shù)據(jù)的極好補(bǔ)充。
4.1.3 組織學(xué)
細(xì)胞外基質(zhì)組織學(xué)分析是一種定性方法來(lái)評(píng)估細(xì)胞外基質(zhì)單個(gè)蛋白，并確定它們的存在和定位。要通過(guò)組織學(xué)分析組織樣本，樣本通常需要在樹(shù)脂、OCT或石蠟中包埋，并在染色前切成薄片。圖7可以看到蘇木精-伊紅，天狼星紅等指標(biāo)。
4.1.4傅里葉變換紅外光譜和拉曼光譜
傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和拉曼光譜是用于化學(xué)和結(jié)構(gòu)鑒定的最重要的振動(dòng)光譜技術(shù)，它們相輔相成。拉曼光譜依賴于光和分子相互作用產(chǎn)生的非彈性光散射(拉曼效應(yīng))，從而能夠識(shí)別非極性基團(tuán)。
4.1.5 質(zhì)譜法
質(zhì)譜學(xué)是迄今為止關(guān)于ECM表征的最完整的技術(shù)。它允許鑒定和定量樣品中的所有蛋白質(zhì)，具有顯著的重復(fù)性和靈敏度。ECM的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了關(guān)于這一主題的大量報(bào)告。
4.1.6圓二色譜
圓二色譜(CD)是一種光吸收光譜方法，它可以研究蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)、它們與其他分子的相互作用、折疊、穩(wěn)定性和配體結(jié)合性質(zhì)。這種方法是基于光學(xué)活性分子對(duì)(左手和右手)圓偏振光吸收的差異來(lái)確定它們的分子構(gòu)型。
4.2 物理表征
4.2.1差示掃描量熱法
差示掃描量熱法(DSC)是一種熱分析方法，用于測(cè)量生物分子(如天然蛋白質(zhì))的穩(wěn)定性。DSC測(cè)量與溫度變化引起的轉(zhuǎn)變相關(guān)的熱交換，這與蛋白質(zhì)的熱變性或“熱熔化”有關(guān)。在蛋白質(zhì)的情況下，DSC可以用作配體結(jié)合的指示器，以評(píng)估熱力學(xué)穩(wěn)定性及其折疊機(jī)制。
4.2.2 流變學(xué)
流變學(xué)是研究材料在外加應(yīng)力或力作用下的流動(dòng)和變形的科學(xué)。它側(cè)重于了解材料如何響應(yīng)不同類型的機(jī)械力，以及它們的物理屬性如何影響它們的流動(dòng)行為。流變學(xué)評(píng)估的最重要的性質(zhì)之一是粘彈性。彈性是材料在變形后恢復(fù)其原始形狀的能力，而粘度是流動(dòng)和耗散能量的能力。ECM同時(shí)表現(xiàn)出彈性和粘性特征。ECM另一個(gè)需要評(píng)估的重要流變性是硬度或剛性，它會(huì)影響細(xì)胞行為和組織功能。
4.3 形態(tài)表征
細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞外基質(zhì)衍生支架的超微結(jié)構(gòu)也是它們?cè)谏到y(tǒng)中性能的決定因素。因此，有關(guān)細(xì)胞外基質(zhì)超微結(jié)構(gòu)及其與周圍微環(huán)境相互作用的高分辨率信息是非常重要的。因此，一些成像技術(shù)被用來(lái)研究ECM和ECM衍生支架的形態(tài)和拓?fù)涮卣?，包括掃描和透射電子顯微鏡(SEM和TEM)和原子力顯微鏡(AFM)。
4.3.1 掃描電子顯微鏡
掃描電子顯微鏡(SEM)是一種強(qiáng)大的工具，它可以通過(guò)聚焦的電子束掃描樣品的表面來(lái)創(chuàng)建3D圖像。它提供納米級(jí)的高分辨率圖像，放大倍數(shù)可達(dá)2×105倍?？梢垣@得有關(guān)樣品的表面形貌、形態(tài)和成分的詳細(xì)信息。圖10顯示了人類沃頓凝膠體脫細(xì)胞后細(xì)胞外基質(zhì)纖維狀結(jié)構(gòu)的維持。
4.4 生物學(xué)特性
4.4.1 體外和體內(nèi)試驗(yàn)
細(xì)胞外基質(zhì)及其衍生支架的最終表征是評(píng)估其與生物系統(tǒng)相互作用時(shí)的功能性、生物相容性和再生潛力。為此，需要進(jìn)行體外和/或體內(nèi)測(cè)試。
5. ECM派生組件的術(shù)語(yǔ)應(yīng)用
用于長(zhǎng)期應(yīng)用的ECM衍生生物材料無(wú)論是作為單獨(dú)的ECM組件還是與其他生物材料集成在一起，都得到了越來(lái)越多的探索。一般來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)支架時(shí)，幾個(gè)關(guān)鍵的考慮因素是重要的：生物兼容性、生物降解性、機(jī)械性能、支架結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)。在這一部分中，我們將概述使用不同技術(shù)從ECM衍生生物材料中設(shè)計(jì)的常用支架，即水凝膠、生物打印支架和電紡支架。
5.1 水凝膠
在所研究的幾種用于長(zhǎng)期應(yīng)用的ECM支架類型中，水凝膠是迄今為止研究最多的。水凝膠被定義為高度水合的3D網(wǎng)絡(luò)，由于聚合物/蛋白質(zhì)鏈之間的化學(xué)或物理網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它保持了結(jié)構(gòu)的完整性。這種高度水合的3D結(jié)構(gòu)使水凝膠能夠保留大量的水。水凝膠還具有其他優(yōu)點(diǎn)，如改善的生物相容性、生物識(shí)別性和生物降解性，而不會(huì)產(chǎn)生毒性。
5.2 3D生物打印支架
3D生物打印是一項(xiàng)多用途技術(shù)，通過(guò)使用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的模型和生物墨水有效地創(chuàng)建具有精確和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的組織結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)使用生物墨水中生物成分的逐層精確定位，允許控制多種支架特征，如結(jié)構(gòu)、成分、孔徑和表面化學(xué)。眾所周知，含有脫細(xì)胞ECM的生物墨水比含有其他天然聚合物的墨水具有更好的再生能力，因?yàn)樗鼈儽Ａ袅嗽S多先前描述的組織特有的天然特征。事實(shí)上，脫細(xì)胞ECM已經(jīng)被用作幾種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的生物墨水。
5.3 電紡技術(shù)
近年來(lái)，電紡技術(shù)已被用于制備具有取向多絲納米纖維的ECM衍生支架，其結(jié)構(gòu)類似于自然環(huán)境中ECM的納米纖維骨架。這些支架提供了具有相互連接的毛孔的納米級(jí)纖維結(jié)構(gòu)，類似于天然的ECM，展示了創(chuàng)建功能組織的良好潛力。圖11描述了這里描述的ECM的三個(gè)術(shù)語(yǔ)應(yīng)用的例子。
6. 總結(jié)
本文概述了細(xì)胞外基質(zhì)衍生生物材料在術(shù)語(yǔ)領(lǐng)域中的應(yīng)用，從分離到應(yīng)用階段，重點(diǎn)介紹了表征部分。要充分實(shí)現(xiàn)這些材料的臨床潛力，仍然存在幾個(gè)挑戰(zhàn)。
脫細(xì)胞技術(shù)是獲得ECM衍生生物材料的關(guān)鍵步驟，是復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性的。在保持ECM所需性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的完全去除是深入研究的目標(biāo)。驗(yàn)證脫細(xì)胞方案的努力的一個(gè)重要部分是選擇適當(dāng)?shù)谋碚骷夹g(shù)。雖然實(shí)際上有一大套可用的技術(shù)，但對(duì)ECM的完整描述是非常耗時(shí)和資源的。ECM基生物材料的一個(gè)共同特征是衍生支架的機(jī)械性能相對(duì)較弱，這在術(shù)語(yǔ)應(yīng)用的上下文中可能被認(rèn)為是有限的。
雖然上述所有問(wèn)題都是重要的障礙，但正在進(jìn)行的研究表明，這些問(wèn)題將在中短期內(nèi)由社區(qū)解決。對(duì)基于ECM衍生生物材料的產(chǎn)品進(jìn)行更全面的臨床前和臨床測(cè)試將帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。
原文信息
The title of the article is “Extracellular matrix-derived materials for tissue engineering and regenerative medicine: A journey from isolation to characterization and application”
DOI: 10.1016/j.bioactmat.2024.01.004
來(lái)源：Internet
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