哥伦比亚工程学院的研究人员开发出一种新方法，利用天然存在的颗粒（称为细胞外囊泡 (EV)）来制造用于组织修复和再生医学的生物活性可注射水凝胶。
在7月25日发表在《Matter》杂志上的一项研究中，哥伦比亚大学工程学院生物医学工程助理教授圣地亚哥·科雷亚（Santiago Correa）及其研究团队介绍了一种水凝胶系统，其中融合了从牛奶中提取的胞外囊泡（EVs）。这些由细胞自然释放的微小颗粒携带着蛋白质和遗传物质等生物指令。正因如此，它们支持着传统合成材料通常无法实现的复杂细胞通讯。
实验室样本。图片来源：Correa Lab
在他们的设计中，EVs 发挥着两项关键功能。它们不仅充当治疗信号的载体，还能通过与生物相容性聚合物交联，帮助形成凝胶本身的结构。为了解决 EVs 供应不足的常见限制，该团队使用了源自酸奶的 EVs。这一创新解决方案帮助他们在保持其生物活性的同时，更大规模地生产凝胶。最终，他们研制出了一种柔软的材料，它既类似于活体组织，又能与邻近细胞相互作用以刺激愈合，而且无需使用额外的化学药剂。
“这个项目最初是一个关于如何构建基于EV的水凝胶的基本问题。酸奶EV为我们提供了一个实用的工具，但它们不仅仅是一个模型，”Correa说道，他与美国国家科学基金会（NSF）的研究生研究员Artemis Margaronis共同领导了这项研究。“我们发现它们具有固有的再生潜力，这为开发新的、可及的治疗材料打开了大门。”
Correa 是哥伦比亚大学纳米免疫工程实验室的主任，他的研究重点是药物输送和免疫工程。他也是赫伯特·欧文综合癌症中心的成员，并与哥伦比亚大学工程学院的 Kam Leong 合作完成了这个项目。通过与帕多瓦大学研究人员的国际合作，这项研究得到了进一步的加强，其中包括 Elisa Cimetta（工业工程系）和研究生 Caterina Piunti。通过将帕多瓦团队在农业电动汽车采购方面的专业知识与 Correa 实验室在纳米材料和聚合物基水凝胶方面的经验相结合，该团队展示了跨学科、全球合作在推动生物材料创新方面的力量。
通过使用酸奶衍生的囊泡，该团队定义了一个设计空间，用于生成将囊泡作为结构和生物元素的水凝胶。他们进一步使用源自哺乳动物细胞和细菌的囊泡验证了该方法，表明该平台是模块化的，并且与多种囊泡来源兼容。这可能为伤口愈合和再生医学领域的高级应用打开大门，而目前的治疗方法往往无法促进长期组织修复。通过将囊泡直接整合到水凝胶结构中，该材料能够持续传递其生物活性信号。由于该水凝胶可注射，因此也可以将其局部递送至受损组织。
早期实验表明，酸奶EV水凝胶具有生物相容性，并在免疫功能正常的小鼠体内一周内激发强大的血管生成活性，这表明农业EV不仅能够促进基础生物材料研究，还具有作为下一代生物技术的治疗潜力。在小鼠体内，该材料没有表现出任何不良反应，反而促进了新血管的形成，这是有效组织再生的关键步骤。Correa团队还观察到，这种水凝胶创造了一种独特的免疫环境，富含抗炎细胞类型，这可能有助于观察到的组织修复过程。该团队目前正在探索这种免疫反应如何帮助引导组织再生。
“能够设计出一种既能紧密模拟人体自然环境，又能加快愈合过程的材料，为再生医学开辟了无限可能，”马加罗尼斯说道。“这样的时刻让我想起，为什么生物医学工程研究领域总是处在激动人心的前沿。”
编译自/scitechdaily
