成分和结构双仿生软骨细胞外基质（支架）募集内源性干细胞原位再生关节软骨研究

How to repair articular cartilage defect early and stop the process of arthritis is the key point of regenerative medicine and rehabilitation medicine. Our previous research results of the foundation experiment and clinical applications showed: the composite application of in vitro cultured cells and tissue-engineered scaffold for cartilage repair was difficult to obtain the approval of clinical management regulations and could increase clinical risk. Basing on preliminary results and relevant clinical experience, our research team puts forward the new idea: use bionic cartilage scaffold with characteristics of raising endogenous stem cells for in situ regeneration and repair of cartilage defects. Therefore, practicably fundamental researches will be carried out in three aspects as follows: ①Make a breakthrough of the key technology of preparing the composition and structure bionic cartilage extracellular matrix scaffold which could recruit endogenous stem cells using the new 3D-printing technology. ②Test the biological characteristics of novel scaffolds using standardized techniques. ③Test the roles of the novel scaffold in the three crucial stages (Recruiting the stem cells; Inducing the differentiation of stem cells; Promoting mature of the new tissue) using in vivo animal experiments. We combine the clinical problems to scientific research and explore the scientificity of our new idea via fundamental researches. Our research could provide basement of the practicability of the pre-clinical tests.

如何早期修复关节软骨损伤，阻断或延缓骨关节炎发生，一直是再生和康复医学研究的重点。课题组前期基础和临床应用研究发现：应用体外处理扩增的细胞复合组织工程支架进行软骨修复的研究思路难以获得临床管理法规的认可，还增加了临床风险的发生。本项目组依据前期基础研究结果及相关临床经验，创新性的提出“以具有募集内源性干细胞特性的仿生软骨支架,原位再生修复软骨缺损”的理念，分别从下列三方面开展研究:①采用新型3D打印等技术，构建既带有内源性干细胞募集因子，又具有细胞外基质成分和细胞周围空间结构的仿生支架，突破新型支架制备关键技术；②应用标准化材料检测技术检测新型支架的生物学特性；③从动物体内试验观察支架在原位再生自组装（干细胞募集; 干细胞分化：新生组织成熟）三个关键环节的作用，评价再生修复的效果。结合临床问题和科学研究转化壁垒，从基础研究方面初探创新理念的科学性，提供进一步开展大量临床前研究的可行性。

本研究旨在通过构建带有内源性干细胞募集因子，又具有细胞外基质（ECM）成分和细胞周围空间结构的仿生支架，并系统化评估新型支架的生物学特性，然后将支架植入大动物体内评价修复效果，以探究其原位再生修复机制和理念。课题组依据任务书的研究内容和国内外最新研究动态，开展了下列基础研究：完善了聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）微球制备技术，制备出负载转化生长因子-β3(TGF-β3)的PLGA微球，并建立微球标准化制备和表征流程；完成了脱细胞软骨细胞外基质制备实验，制备出去除核酸等免疫原性物质并具有软骨ECM有效成分的生物材料；优化了新型生物墨水甲基丙烯酸酯化明胶（GelMA）/ECM（简称GE）性能，并对其进行理化性质表征、细胞相容性分析和细胞增殖能力检测；建立新型组织工程软骨仿生支架构建体系，即通过3D生物双喷头打印技术（一个喷头是负载TGF-β3/PLGA微球的生物墨水，另一个喷头是PCL材料），构建出成分和结构仿生的新型组织工程软骨仿生支架；完成新型组织工程软骨仿生支架的系统性评估，包括宏观与微观形态、生物力学、药物缓释性能和大鼠皮下免疫排斥检测；完成新型组织工程软骨仿生支架体内干细胞募集效应检测实验；完成新型组织工程软骨仿生支架体外成软骨诱导实验；通过mRNA测序技术，探究新型组织工程软骨仿生支架对干细胞的调控机制；完成新型支架绵羊膝关节软骨缺损的体内修复实验，并从大体观、影像学、组织学、分子生物学、生物力学和蛋白质组学等方面评价效果并探究修复机制。本研究聚焦于临床难题，从临床前研究探索修复理念和再生机制，为将来临床转化应用提供了理论依据。