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華南理工大學(xué)任力教授團(tuán)隊《Adv. Sci.》：3D打印曲率角膜調(diào)控角膜上皮細(xì)胞行為，促進(jìn)角膜修復(fù)進(jìn)程
2023-02-21  來源：高分子科技

  目前傳統(tǒng)的人工角膜存在與組織邊緣對合不齊，上皮化困難，上皮易脫落等問題，這是因為它們大多考慮的是成分的仿生，而忽略了角膜結(jié)構(gòu)的仿生，結(jié)構(gòu)決定功能，一個好的角膜修復(fù)材料需兼具成分與結(jié)構(gòu)的仿生。普通的制備手段很難對患者的角膜曲率結(jié)構(gòu)進(jìn)行個性化定制，而3D打印可以很好的解決這個問題。且角膜曲率對組織功能的正常發(fā)揮有重要作用，如圓錐角膜的發(fā)生會導(dǎo)致上皮細(xì)胞異常，因此研究如何構(gòu)建曲率角膜修復(fù)材料和研究細(xì)胞在曲率環(huán)境中的生長行為對角膜修復(fù)有重要作用。


  近期，華南理工大學(xué)任力教授團(tuán)隊采用膠原和可光交聯(lián)的甲基丙烯酰化明膠（GelMA）水凝膠，通過溫控3D打印技術(shù)制備具有曲率結(jié)構(gòu)的光滑表面角膜修復(fù)材料（圖1），用于促進(jìn)角膜基質(zhì)再生和角膜功能恢復(fù)。由于具有微納尺寸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表面可以引導(dǎo)細(xì)胞行為的改變，如細(xì)胞分化和排列，組織中許多曲率結(jié)構(gòu)對發(fā)揮組織正常功能必不可少。但是具有毫米級尺寸的曲率是否對細(xì)胞有調(diào)控作用，并能否進(jìn)一步促進(jìn)角膜修復(fù)仍未可知。天然角膜上角膜上皮細(xì)胞的分布和黏附也存在差異，這對上皮功能的維持至關(guān)重要。因此作者通過將角膜上皮細(xì)胞接種在仿生角膜的不同區(qū)域，并與平面結(jié)構(gòu)對比，以此觀察打印角膜是否具有與天然角膜類似的功能。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)角膜曲率在一定正常范圍內(nèi)，曲面比平面更能促進(jìn)細(xì)胞的定向排列和黏附，在曲面上有更高的黏附相關(guān)基因和蛋白的表達(dá)。進(jìn)一步地，通過觀察在曲率角膜的上皮細(xì)胞行為，發(fā)現(xiàn)上皮細(xì)胞在坡度更陡的區(qū)域能有更定向的細(xì)胞排列和更高黏附標(biāo)記物的表達(dá)（圖2-3）。作者還對黏附行為開展了信號通路分析，結(jié)果表明曲率可以通過調(diào)節(jié)integrin β，FAK，vinculin等細(xì)胞信號蛋白來調(diào)控上皮細(xì)胞的形狀和黏附（圖7）。力學(xué)模擬實驗表明細(xì)胞在曲面上會受到更大的剪切應(yīng)力，其定向排列和黏附能力更強（圖4）。作者隨后在兔角膜缺損模型開展了打印曲率角膜的測試實驗，結(jié)果表明曲率角膜在短期內(nèi)能促進(jìn)上皮黏附（圖5），使得修復(fù)更快速和牢固，其長期修復(fù)效果較對照組均有明顯的提升（圖6），為角膜修復(fù)材料的設(shè)計提供了新思路。這一曲率角膜促進(jìn)角膜再生修復(fù)及其機理迄今為止是首次發(fā)現(xiàn)。該工作以“Biomimetic Convex Implant for Corneal Regeneration Through 3D Printing”為題發(fā)表在《Advanced Science》上，論文第一作者為華南理工大學(xué)博士研究生徐穎妮，通訊作者為華南理工大學(xué)任力教授，共同通訊作者為浙江大學(xué)季葆華教授、華南理工大學(xué)宋文婧副教授和中山大學(xué)眼科中心袁進(jìn)教授。
本研究針對目前人工角膜與組織邊緣對合不齊，上皮化困難，上皮易脫落等難題，通過3D打印技術(shù)構(gòu)建具有光滑表面的曲率角膜，突破了3D打印人工角膜易產(chǎn)生“臺階效應(yīng)”的限制。所制備的曲率角膜可誘導(dǎo)細(xì)胞排列，促進(jìn)上皮細(xì)胞黏附，加快角膜再上皮化進(jìn)程（3天）和基質(zhì)、神經(jīng)再生，具有巨大的臨床價值和前景。是團(tuán)隊近期關(guān)于角膜再生修復(fù)材料的最新進(jìn)展之一，近年來，團(tuán)隊一直致力于開發(fā)出適合臨床使用的角膜再生修復(fù)材料，在無縫線縫合角膜材料(Acta Biomaterialia, 2022, DOI:10,1016/j.actbio.2022.09.049)，Micro RNA治療角膜上皮缺損(Bioactive Materials, 2022, Doi:10.1016/j.bioactmat.2022.07.011)，高效率交聯(lián)劑、雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提升材料力學(xué)性能(International Journal of Biological Macromolecules, 2021, Doi:10.1016/j.ijbiomac.2021.09.144; Acs Applied Polymer Materials, 2022, DOI:10.1021/acsapm.2c00472)等方面做出重大突破，有效解決了目前人工角膜不耐縫合、易溶解等問題，極大推動了角膜領(lǐng)域的發(fā)展，為角膜盲患者重見光明帶來希望，增進(jìn)人民福祉。


圖1 3D打印角膜制備工藝優(yōu)化圖及角膜實物圖，溫度是影響打印表面是否出現(xiàn)“臺階效應(yīng)”的關(guān)鍵



圖2 曲率角膜具有調(diào)控RCECs細(xì)胞取向排列形態(tài)的功能，細(xì)胞傾向于沿著曲率經(jīng)線方向生長，且坡度的增加會使得細(xì)胞更加細(xì)長和對齊 



圖3 曲率角膜能提高RCECs的黏附能力，促進(jìn)細(xì)胞核收縮和染色質(zhì)凝縮，與黏附和核相關(guān)的基因均比平面組高表達(dá),在黏附蛋白表達(dá)方面曲率角膜也具有優(yōu)勢 


圖4 有限元分析曲率角膜不同坡度上RCECs的受力狀態(tài)，坡度越陡的地方，細(xì)胞受到的剪切力越大，與角膜基底的牽引力越大，即細(xì)胞取向和極化程度增加，黏附力增大 


圖5 曲率角膜在動物體內(nèi)的有效性驗證，能夠促進(jìn)角膜上皮化進(jìn)程（<3天），與組織邊緣對合更緊密，在結(jié)構(gòu)方面比平面膜更有優(yōu)勢 


圖6 曲率角膜長期在體促進(jìn)角膜基質(zhì)和神經(jīng)修復(fù)圖。通過長達(dá)180天的觀察，曲率角膜組基質(zhì)再生能力強，角膜厚度恢復(fù)，角膜透明，神經(jīng)再生，而對照組修復(fù)效果不理想，說明3D打印曲率角膜具有臨床應(yīng)用的前景 


圖7 曲率角膜調(diào)控RCECs行為的機制圖，曲率通過整合素（integrin-based）信號通路增強細(xì)胞黏附


  該研究得到了國家自然科學(xué)基金項目(52173123,11932017)，國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC1105000)，廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃項目(2020B1111150002和2019B010941002)，廣東省科技計劃項目(2021A1515010878)，廣州市重點研發(fā)計劃項目(202206010160)，生物島實驗室前沿研究項目(廣州再生醫(yī)學(xué)與健康實驗室，2018GZR110105008)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金的資助。


  全文下載鏈接：http://doi.org/10.1002/advs.202205878

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