细胞外囊泡 (EVs)作为细胞间通讯的重要载体,在组织工程和再生医学中具有巨大的应用潜力。然而,EVs在体内的半衰期很短,难以有效地到达靶组织并发挥其生物学功能。因此,如何控制EVs的释放和保留成为实现其临床应用的关键。近年来,工程化材料在控制EVs释放和保留方面展现出巨大的潜力,为EVs在组织工程和再生医学中的应用开辟了新的途径。本文将深入探讨如何将EVs与工程化材料相结合,并控制其释放和保留,以提高其在组织工程和再生医学中的治疗效果。
控制EVs释放到宿主组织
1. 扩散
EVs可以通过扩散的方式从水凝胶中释放到宿主组织。这种方法的关键在于选择合适的交联策略,以控制EVs释放的动力学和最大量。
部分或可逆交联:将EVs添加到部分交联或可逆交联的水凝胶中,可以使EVs随着时间的推移逐渐从水凝胶中扩散出来。这种策略的优势在于释放过程更加温和,可以避免对EVs结构的破坏。
温度敏感交联:利用温度敏感的交联剂,例如甘油-2-磷酸,可以在注射后于37°C下进行离子交联,从而实现EVs的逐步释放。通过调节温度,可以控制EVs释放的速度和量,使其更好地适应宿主组织的生理环境。
2. 侵蚀
除了扩散,还可以通过侵蚀水凝胶网络的方式来实现EVs的局部释放。
水解降解:通过设计聚合物网络,使其随着时间的推移发生水解降解,从而逐渐释放EVs。例如,聚乳酸基3D工程支架中酯键的断裂可以实现EVs的持续释放。这种方法的优势在于释放过程更加可控,可以避免对宿主组织的刺激。
pH敏感降解:利用醛基与聚合物发生席夫碱反应形成的凝胶,在酸性条件下可以分解,从而实现EVs的pH敏感释放。这种方法的优势在于可以根据宿主组织的生理环境进行精准释放,例如在癌症或糖尿病伤口中,组织环境通常呈酸性,可以利用pH敏感降解实现EVs的释放。
酶促降解:利用凝胶中的酶促降解机制,例如胶原蛋白酶和明胶酶,可以降解聚合物骨架并释放EVs。这种方法的优势在于可以根据需要选择特定的酶,实现精准的释放。
光敏降解:利用光敏降解剂,例如正硝基苯基,可以在紫外光照射下断裂键合剂,从而实现EVs的非接触式释放。这种方法的优势在于可以实现对EVs释放的远程控制,例如在植入物表面涂覆光敏降解剂,在需要时通过光照来释放EVs。
增加EVs在水凝胶中的保留
为了使EVs在体内发挥更持久的效果,可以通过引入分子相互作用的方式增加EVs在水凝胶中的保留。
1. 非选择性相互作用:
静电相互作用:利用带正电荷的材料,例如聚赖氨酸,与EVs膜上的负电荷发生静电相互作用,从而增加EVs的保留。这种方法的优势在于操作简单,可以通用于不同的EVs亚群。
共价键:通过光诱导咪唑交联或点击化学方法将EVs共价键合到材料上,从而实现EVs的长期保留。这种方法的优势在于可以保证EVs与材料的稳定性,避免EVs的脱落。
2. 选择性相互作用:
整合素结合肽:将结合特定整合素的肽序列共价键合到聚合物网络上,可以捕获特定的EVs亚群,从而实现特定的生物学反应。例如,可以将RGD肽序列共价键合到聚合物网络上,以捕获与α5β1和αvβ3整合素结合的EVs,从而促进血管生成和组织再生。
利用材料控制细胞分泌EVs
为了提高EVs的产量和治疗效果,可以利用材料控制细胞分泌EVs。
生物反应器系统:利用空心纤维生物反应器系统可以集中生产EVs,并提高小EV相关蛋白的产量。这种系统具有高细胞密度和高效的物质交换等优点,可以显著提高EVs的产量。
细胞聚集体: 在微孔阵列或非粘附材料上形成细胞聚集体可以增加每细胞的EVs数量,并改善其治疗效果。细胞聚集体可以模拟体内的三维环境,促进细胞之间的相互作用,从而提高EVs的产量和治疗效果。
三维细胞培养:将细胞封装在三维水凝胶中可以提高每细胞EVs蛋白的分泌量,并改善其治疗效果。三维环境可以模拟体内的生理环境,促进细胞增殖和分化,从而提高EVs的产量和治疗效果。
总结:
通过将EVs与工程化材料相结合,并控制其释放和保留,我们可以更好地利用EVs在组织工程和再生医学中的潜力。
参考文献
Debnath K, et al. Extracellular vesicle-matrix interactions. Nat Rev Mater. 2023 Jun;8(6):390-402.