細胞外基質(zhì)衍生的基質(zhì)膠含有多種生長因子。并且它具有支持細胞增殖、遷移和分化的ECM特性,因此廣泛應用于體外細胞培養(yǎng)。但此類基質(zhì)膠成分未知,穩(wěn)定性較差,物理性質(zhì)缺乏可控。因此,開發(fā)一種兼具ECM功能和合理設(shè)計的可控生物材料顯得尤為重要。
格拉斯哥大學 Manuel Salmeron-Sanchez 教授的團隊在《生物材料》雜志上發(fā)表了一篇文章“采用全長纖連蛋白設(shè)計的 3D 水凝膠,可隔離并呈現(xiàn)生長因子"。研究人員利用聚乙二醇共價結(jié)合全長的纖連蛋白,制備了一種可以富集和控制生長因子的PEG-纖連蛋白水凝膠。并證明水凝膠可以結(jié)合血管內(nèi)生長因子(VEGF)和骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP2)促進血管生成,實現(xiàn)骨再生。
FN 通過邁克爾型加成反應與 PEG 網(wǎng)絡(luò)共價結(jié)合,形成 FN 標記的 FNPEG 水凝膠。 FN免疫熒光染色和釋放檢測結(jié)果表明,F(xiàn)N均勻分布在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中,結(jié)合穩(wěn)定。 PEG可以控制FNPEG水凝膠系統(tǒng)的物理和化學性質(zhì)。隨著體系中PEG含量的增加,F(xiàn)NPEG水凝膠的溶脹性能和楊氏模量也顯著提高。此外,添加0.5VPM可降解交聯(lián)劑將增強水凝膠的機械強度。
FN可以隨機與生長因子結(jié)合,例如通過FNIII12-14與VEGF結(jié)合。因此,與PEG相比,F(xiàn)NPEG水凝膠可以有效共聚大量生長因子。研究人員使用熒光標記的 VEGF 來追蹤其隨時間的釋放。將熒光標記的 VEGF 混合到 PEG 和 FNPEG 水凝膠中進行釋放實驗。 24小時后,PEG釋放了所有VEGF,而FNPEG水凝膠保留了50%的VEGF。同時,將PEG和FNPEG水凝膠置于相同濃度的熒光標記VEGF中,測試其結(jié)合VEGF的能力。
結(jié)果表明,每毫升 FNPEG 水凝膠比 PEG 多結(jié)合 2μg VEGF。此外,可降解交聯(lián)劑VPM的存在不會影響水凝膠與VEGF的穩(wěn)定結(jié)合,表明FNPEG水凝膠可以通過其自身的降解特性來控制生長因子的釋放。
PEG和FNPEG水凝膠中HUVEC的存活率沒有顯著差異。研究人員將接種了HUVEC的微載體封裝到FNPEG水凝膠和Matrigel中,并在培養(yǎng)基中添加VEGF,以研究FNPEG水凝膠在3D培養(yǎng)過程中促進管出芽的作用。在含有VEGF的FNPEG水凝膠中,出現(xiàn)了大量與Matrigel類似的血管出芽現(xiàn)象,并且連接的血管芽的面積比Matrigel更多。
研究人員進一步將HUVEC和VEGF直接封裝到FNPEG水凝膠中,研究FNPEG水凝膠是否能像Matrigel一樣促進三維交換中的血管形成。第1天和第2天,F(xiàn)NPEG水凝膠形成比Matrigel組和含有VEGF的PEG組更寬的血管簇。然而,從第3天開始,F(xiàn)NPEG水凝膠中的血管簇開始分解,表明這些細胞復合物不穩(wěn)定。需要周細胞、平滑肌細胞和其他類型的細胞來穩(wěn)定新形成的毛細血管。
研究人員使用更復雜的雞胚尿囊膜來測試FNPEG水凝膠是否可以促進毛細血管的形成。添加和未添加 VEGF 的 FNPEG 水凝膠雞胚尿囊膜上毛細血管的分叉和連接數(shù)量均顯著高于對照組,表明 FNPEG 水凝膠不僅具有持久持續(xù)釋放 VEGF 的能力,雞胚尿囊膜在發(fā)育過程中產(chǎn)生的尿囊膜也可保留在原位,促進毛細血管生成。然而,有或沒有VEGF的PEG水凝膠實驗組與對照組之間沒有顯著差異。進一步證實VEGF在最初的幾個小時內(nèi)從PEG中快速釋放,導致VEGF從局部區(qū)域相對快速地消失。
研究人員利用成年小鼠構(gòu)建了骨不連(臨界尺寸)半徑缺損模型,并證明負載BMP2的FNPEG水凝膠可以促進體內(nèi)骨骼生長和修復。各組件水凝膠管狀支架的骨缺損修復結(jié)果顯示,隨著BMP2的增加,骨生長從FNPEG-到FNPEG+再到FNPEG++增加,F(xiàn)NPEG++組實現(xiàn)骨缺損閉合。番紅-O固綠和蘇木精組織切片染色結(jié)果顯示,F(xiàn)NPEG+和FNPEG++ Hydro植入處有大量膠原沉積。