脂肪源性间充质干细胞3D球体及微块在皮肤再生治疗中的应用

时间:2026年2月4日
来源:European Journal of Pharmacology

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本研究开发了一种基于脂肪来源间充质干细胞的三维球状结构Microblock(MiB),通过体内伤口愈合模型和蛋白质组学分析,证实MiB能显著提升胶原蛋白I和纤维连接蛋白表达,激活TGF-β1信号通路,促进皮肤再生,且优于单细胞移植。

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Jin Ju Park|Eunjeong Seo|HyeRan Gwak|SangHyuk Lee|Junhyung Kim|JiEun Lee|Hyun Ji Kim|Soyeon Jeong|Jaejin Cho
韩国首尔国立大学牙科学院牙科再生生物技术系,首尔03080

摘要

脂肪来源的间充质干细胞(Ad-MSCs)因其具有调节炎症、调控免疫反应、促进血管生成和促进细胞外基质(ECM)重塑的能力,在皮肤伤口愈合方面的再生潜力而被广泛研究。然而,单细胞移植的治疗效果往往受到较低的植入效率和短暂效果的限制,这限制了其长期的再生效果。为了克服这些挑战,我们开发了一种类球形结构——Microblock(MiB),旨在与传统单细胞Ad-MSCs相比增强关键再生蛋白的表达。为了评估其治疗效果,我们在大鼠模型中进行了伤口愈合实验,并进行了蛋白质组学分析以研究其潜在的分子机制。此外,还进行了全面的非临床安全性评估,包括毒性、致瘤性、生物分布和持久性研究,以评估其临床应用的可行性。我们的研究结果表明,MiB显著增强了皮肤再生和组织重塑,这通过上调I型胶原蛋白和纤维连接蛋白等ECM相关蛋白以及激活TGF-β1信号通路得到了证实。此外,还鉴定出与VEGFA信号通路相关的关键TGF-β靶蛋白,MiB处理显著增加了胶原蛋白的沉积。这些结果表明,MiB通过强化ECM重塑和激活关键信号通路有效地促进了皮肤再生。与单细胞Ad-MSC移植相比,MiB表现出更强的再生潜力,显示出作为新型细胞治疗皮肤修复方法的潜力,并为未来的临床应用奠定了基础。

引言

皮肤作为抵御外部环境的重要保护屏障,在维持体内平衡方面起着关键作用(Takeo等人,2015年)。受伤后,会启动自然的修复过程;然而,在许多情况下,伤口愈合会导致疤痕形成和组织功能下降,而不是完全再生(Sorg等人,2017年;Takeo等人,2015年)。近期皮肤再生研究的进展集中在干细胞疗法、组织工程和基于生物材料的策略上,以开发创新的治疗方法(Chouhan等人,2019年;Kaur等人,2022年)。其中,干细胞因其抗炎特性、免疫调节能力和促进血管生成的能力而受到广泛关注,这些都有助于改善伤口愈合和组织恢复(Kanji和Das,2017年;Nourian Dehkordi等人,2019年)。
最近的研究探索了将组织工程技术与3D生物打印相结合,以优化干细胞移植,从而开发出干细胞-水凝胶复合疗法(Abadpour等人,2021年;Jang等人,2018年;Sorg等人,2017年)。尽管取得了这些进展,但在干细胞移植中使用的支架和生物材料引起的免疫排斥反应等挑战仍未解决(Liu等人,2018年;Salthouse等人,2023年)。此外,单细胞悬浮液的直接移植也存在多个局限性,包括较低的植入效率、细胞凋亡、免疫排斥和过度的炎症反应(Lukomska等人,2019年;Reekmans等人,2012年;Wei等人,2024年)。此外,向目标组织定向分化以及与周围微环境的适当整合仍然是重大障碍(Lukomska等人,2019年;Ventura等人,2021年)。移植细胞的短暂效果和有限的长期持久性进一步强调了需要改进策略以提高基于干细胞的治疗效果(Hoang等人,2022年)。
最近在脂肪来源的间充质干细胞(Ad-MSC)研究方面的进展转向了3D球形培养,以克服传统治疗方法的有限再生能力。这些3D模型显著提高了细胞存活率、旁分泌信号传导和ECM重塑,从而改善了皮肤再生和伤口愈合的结果(Jeong等人,2022年)。此外,将Ad-MSC球形体纳入可注射水凝胶中已被探索为一种策略,以促进生长因子的持续释放,加速上皮再生并减少纤维化(Bicer,2024年)。此外,富含Ad-MSC外泌体和分泌组的3D支架作为无细胞方法在皮肤组织工程中显示出前景,进一步优化了皮肤再生和疤痕减少(Santos等人,2015年)。
在间充质干细胞(MSCs)中,脂肪来源的间充质干细胞(Ad-MSCs)由于易于分离、高增殖能力和低免疫原性而成为再生医学的有希望的候选者(Hu和Athanasiou,2006年;Jo等人,2021年;Wang等人,2021年)。Ad-MSCs具有多向分化能力,可以生成角质形成细胞、真皮成纤维细胞和内皮细胞,这些都是皮肤再生所必需的(Jo等人,2021年;Laloze等人,2021年)。因此,Ad-MSCs作为皮肤再生的治疗手段具有巨大潜力。此外,据报道它们分泌多种细胞因子和生长因子,通过旁分泌和自分泌机制促进伤口愈合过程(Jia等人,2023年;Ong等人,2017年)。值得注意的是,血管内皮生长因子(VEGF)、转化生长因子-β1(TGF-β1)、成纤维细胞生长因子(FGF)和肝细胞生长因子(HGF)是Ad-MSCs分泌的关键因子,它们有助于促进血管生成、调节炎症和调控细胞外基质(ECM)重塑,所有这些都对有效的皮肤再生至关重要(Hoang等人,2020年;Nie等人,2020年;Rodríguez等人,2015年;Xue等人,2018年)。
本研究旨在支持Microblock(MiB)的开发,这是一种由Ad-MSCs生成的三维聚集体,作为皮肤再生治疗的候选生物再生方法。为此,我们对治疗效果、非临床安全性和与皮肤修复相关的分子特性进行了综合评估。MiB通过皮下或皮内途径给药,并在体内伤口模型中评估了其伤口愈合效果。同时,我们也进行了非临床安全性评估。我们的研究结果表明,MiB的伤口愈合效果与其表达的与皮肤再生相关的ECM结构蛋白有关。总体而言,本研究提供了临床前证据,从而支持MiB作为一种具有进一步临床开发潜力的三维治疗平台。

部分摘录

细胞培养

如前所述(Ganbold等人,2019年),人类脂肪来源的MSCs(hAd-MSCs)是从健康人类捐赠者的脂肪组织中获得的。本研究中的所有实验程序均获得了首尔国立大学牙科学院机构审查委员会(IRB编号S-D20180012)的批准。脂肪组织来自20多岁的健康成年女性捐赠者,并获得了书面知情同意。简要来说,脂肪组织是从吸脂标本中采集的。

通过皮下给药生成Microblock(MiB)和进行伤口愈合实验

此前,我们使用脂肪来源的间充质干细胞(Ad-MSC)生成了3D聚集体并研究了它们的特性(Park等人,2023年)。在本研究中,这些3D聚集体被命名为Microblocks(MiB)。我们确认MiB含有高水平的I型胶原蛋白(COL I),这是皮肤细胞外基质的主要成分,并保持了MSC的分化能力(Park等人,2023年)。鉴于MiB被设计为一种再生治疗剂而非...

讨论

为了促进受损皮肤的再生,人们一直在积极研究和发展组织工程方法。策略包括自体培养的上皮替代物、异体培养的真皮细胞和复合皮肤替代物,每种方法都旨在改善皮肤修复(Sierra-Sánchez等人,2021年)。然而,最终目标是开发出能够密切模仿天然皮肤结构和功能的再生疗法或皮肤替代物。

作者贡献声明

SangHyuk Lee:研究。HyeRan Gwak:研究。Jieun Lee:研究。Junhyung Kim:研究。Soyeon Jeong:研究。Hyun Ji Kim:研究。Jaejin Cho:写作——审稿与编辑、监督、资源管理、方法学。Eunjeong Seo:写作——审稿与编辑、项目管理、概念化。Jin Ju Park:写作——初稿、方法学、研究

未引用的参考文献

Trzyna和Banaś-Ząbczyk,2021年。

数据可用性

支持本研究结果的数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

伦理批准

所有动物实验均获得了Biotoxtech和KNOTUS的动物伦理委员会的批准,并按照该机构的指南进行。

资金来源的作用

本研究得到了韩国国家基金会NRF)的支持,该基金会由科学信息通信技术未来规划部资助(2017M3A9133061313)。此外,本研究还得到了韩国再生医学基金(KFRM)的支持,该基金由韩国政府(科学和信息通信技术部卫生与福利部)资助(25C0104L1),以及中小企业和创业部MSS)的资助(编号S3406704)。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响手稿中报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

图形摘要、图1A和图2A使用BioRender.com创建。

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