近期，温州医科大学药学院李校堃院士、王周光研究员等人开发了一种生物工程微球（BEM）平台，通过优化细胞外基质（ECM）的提取和结合多孔聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）微球，显著提高了间充质干细胞（MSC）在脊髓损伤治疗中的存活率、保留率以及神经分化能力，从而加速了脊髓损伤后的功能恢复。相关研究以“Bioengineering microspheres regulating mesenchymal stem cell fate accelerate spinal cord injury therapeutics”为题目，发表在期刊《Nano Today》上。

本文要点：

1、本研究开发了一种生物工程微球（BEM）平台，通过调节间充质干细胞（MSC）的命运来加速脊髓损伤（SCI）的治疗。

2、首先获取并优化细胞外基质（ECM），以实现体外有效的神经元分化。

3、利用微流控技术制备了多孔PLGA微球，以支持干细胞的存活和保留。

4、BEM平台结合了ECM和PLGA微球，显著提高了MSC在SCI模型中的存活率、保留率，并促进了其向神经元细胞的分化和组织整合。

5、更重要的是，BEM辅助的MSC治疗减少了瘢痕组织形成，改善了周围组织和轴突的再生，保护了突触结构，并增强了信号传导，从而加速了SCI后的恢复。

微流控技术在制备多孔聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）微球中起着关键作用。该技术通过控制流体的流动和混合，能够精确地形成油包水（W/O）乳液，从而生成具有均匀尺寸和良好孔隙结构的微球。这种方法的优势在于：

1、高效性：微流控技术能够快速、连续地生产微球，减少了传统方法中可能出现的批次间差异。

2、可控性：通过调节流速和液体比例，可以精确控制微球的尺寸和孔径，从而优化其细胞载入和迁移特性。

3、均匀性：微流控技术确保了微球的形态和结构的一致性，这对于后续的生物应用至关重要。

因此，微流控技术的应用不仅提高了PLGA微球的制备效率，还增强了其在干细胞治疗中的功能性，特别是在促进间充质干细胞的存活和分化方面。

干细胞治疗脊髓损伤面临的主要挑战包括：

1、细胞存活率低：移植后的干细胞在损伤环境中存活的比例较低，影响治疗效果。

2、神经元分化效率低：干细胞向神经元转化的效率不足，限制了其在修复受损神经组织中的作用。

3、与宿主连接困难：移植的干细胞难以有效地与宿主组织连接，影响其功能整合。

4、不利的微环境：脊髓损伤部位存在炎症和抑制性因子，形成了一个不利于干细胞生存和功能发挥的微环境。

这些挑战限制了干细胞治疗在脊髓损伤中的临床应用效果。

BEM平台在脊髓损伤（SCI）治疗中的作用机制如下：

1、优化的细胞外基质（ECM）：

采用基于液氮的去细胞化方法提取的脊髓ECM（oECM）相比传统化学方法（tECM），能够更有效地保留关键成分（如层粘连蛋白），促进MSC向神经元的分化。

oECM在体外实验中显示出显著提高MSC的神经元标志物（如MAP2和DCX）的表达，表明其在促进神经元分化方面的有效性。

2、多孔微球的应用：

通过微流控技术制备的多孔聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）微球，提供了良好的细胞载入和迁移特性，支持MSC的存活和保留。

这些微球的多孔结构为MSC提供了一个适宜的微环境，促进了细胞的生长和分化。

3、生物活性微球（BEM）平台：

将优化的ECM与PLGA微球结合形成的生物活性微球（BEM），能够显著提高MSC的存活率和保留率。

BEM不仅支持MSC的生存，还促进其向成熟神经元的转化，并有效整合到宿主组织中。

4、减少瘢痕形成和促进组织再生：

BEM辅助的MSC治疗能够减少瘢痕形成，保护神经元和轴突结构，增强信号传导，从而加速脊髓损伤后的功能恢复。

图1.生物工程ECM在2D培养中促进MSCs分化。

图2.成功制备生物工程微球并促进MSC在3D培养中的分化。

图3.通过BEM支持的MSCs治疗成功促进SCI小鼠的恢复。

图4.植入的BEM@MSCs在损伤脊髓中转化为成熟神经元。

图5.BEM处理的MSCs和宿主神经元之间的神经连接。

图6.SCI小鼠后肢运动恢复的综合评价。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2024.102574