清华生物医学工程系开发出可注射组织再生新技术

  清华新闻网9月10日电 清华大学医学院生物医学工程系杜亚楠教授实验室最新开发了一种可注射干细胞3D微组织再生疗法,可极大促进基于干细胞治疗的组织修复和再生效果。相关论文Primed 3D injectable microniches enabling low-dosage cell therapy for critical limb ischemia (预激可注射3D微环境实现低剂量细胞治疗下肢缺血性疾病)发表在9月3日的《美国科学院院刊》(PNAS)上。清华大学医学院生物医学工程系博士生李雅倩,刘伟和博士后刘飞是该论文的共同第一作者,杜亚楠教授是该论文的通讯作者。

 

图注:通过预激(priming)的可注射型3D干细胞微环境(微组织)应用于下肢缺血疾病的高效治疗。图中右侧为可注射的3D微组织(其中,白色代表3D支架;绿色代表细胞;红色代表细胞外基质和因子);左侧为裸鼠血管的动态血流图。

  以组织工程和细胞治疗为代表的再生医学是现代医学最具发展潜力的领域,有望成为继药物和器械治疗之后下一个医疗健康行业的支柱产业。再生医学已在临床成功地用于皮肤再生,关节软骨重建,肌腱、脊髓损伤修复,免疫系统功能重建等,并在治疗下肢缺血、动脉粥样硬化、心肌梗死在内的缺血性疾病和各类器官组织(如神经、肝脏、心脏、胰腺等)修复和再生的动物模型和临床试验中显示出良好效果。然而,传统组织工程由于人造组织的空间尺度较大,需要通过有创性的手术移植来实现,并且由于传质问题,移植细胞的存活也是一个重大挑战。相比之下,可注射细胞治疗将游离细胞通过微创的方式直接注入体内进行治疗显示出更加良好的临床应用前景。但由于注射到体内的游离细胞大量流失,并在病灶区域死亡导致目前细胞治疗效率低,不稳定,重复性差。例如有研究表明细胞治疗下肢缺血性疾病时注射到体内的细胞中最终仅有3%能够在缺血和炎症部位发挥治疗作用。常用的解决方法是大量注入细胞,而过量的细胞不但增加了应用成本而且会因为细胞的不可控生长带来一系列安全问题。因此,迫切需要一种高效,可控的细胞治疗方法,以应对上述挑战。

  杜亚楠教授实验室充分利用其研究团队的工程背景,创新性地将广泛应用于半导体工业的微尺度技术与传统组织工程和细胞治疗方法相结合开发出基于可注射干细胞3D微组织的新型疗法,证实可大大增强干细胞在病灶区域的定位,存活和组织再生治疗效果,有望为实现“一针干细胞注射治疗疑难重大疾病”的梦想提供重要工具和手段。

  该疗法首先将干细胞(例如脂肪来源的间充质干细胞)在基于微加工可降解生物材料的3D多孔微载体中进行体外预培养,促进干细胞间的相互作用形成3D微组织,同时积累大量促进细胞活性和治疗效果的细胞外基质和活性因子。经过预培养的3D微组织,将干细胞“状态”调至最佳并“全副武装”以充分应对体内病灶区域缺血、炎症等恶劣环境。并可通过定点注射有效的聚集在治疗区域。和传统的游离细胞注射疗法相比,3D微组织注射治疗可发挥如“导弹”而非“子弹”的功效以实现定点高效治疗。因此,3D微组织疗法仅需要相当于传统游离细胞疗法十分之一的间充质干细胞用量就可使患有下肢缺血性疾病的小鼠实现血管和肌肉组织再生,避免截肢,这是迄今为止文献报道的可实现下肢缺血再生和治疗所需干细胞量最少和最有效的报道。尤为重要的是,3D微组织疗法可使用临床常用的注射器,操作方便,避免了传统组织工程中手术移植等造成的创伤。下肢缺血是糖尿病患者常见的并发症,糖尿病患者中有15%~20%在其病程中发生足溃疡或坏疽。国内糖尿病足患者的截肢率高达21~37.5%,此疗法有望为下肢缺血性疾病患者带来福音。相关技术申请了中国专利,并初步证明了可注射3D干细胞微组织在治疗其他疾病如皮肤损伤,肝衰竭和椎间盘蜕变等的良好治疗效果。

  杜亚楠教授于2010年在麻省理工学院完成博士后研究后入职清华大学医学院生物医学工程系,其实验室主要应用微尺度技术结合生物材料和细胞生物学构建精确可控的3D微尺度组织,为细胞/组织工程, 再生医学以及药物筛选和病理研究提供新型工程手段和解决方法。本工作得到了清华大学医学院生物医学工程系白净教授实验室在小动物成像方面的大力支持和协作,并得到国家自然科学基金委和国家科技部973计划的资助。

  全文链接:http://www.pnas.org/content/early/2014/08/28/1411295111.abstract

 供稿:医学院 编辑:襄桦 学生编辑:长松

 

 

2014年09月10日 17:11:49  清华新闻网

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