哥伦比亚大学科学家将酸奶转化为可模拟人体组织的愈合凝胶

发表在7月25日的Matter期刊上，哥伦比亚大学工程学院生物医学工程助理教授Santiago Correa及其合作者描述了一种可注射水凝胶平台，该平台利用牛奶中的细胞外囊泡（EVs）来解决再生医学中生物材料开发中长期存在的障碍。细胞外囊泡是细胞自然分泌的颗粒，携带数百种生物信号，如蛋白质和遗传物质，使得复杂的细胞通信成为可能，而合成材料难以轻易复制。

在这项研究中，Correa及其同事设计了一种水凝胶系统，其中细胞外囊泡扮演双重角色：它们既是生物活性货物，也是通过交联生物相容聚合物形成可注射材料的基本结构构建块。团队采用了一种利用酸奶中牛奶细胞外囊泡的非传统方法，克服了阻碍基于细胞外囊泡生物材料开发的产量限制。酸奶细胞外囊泡使水凝胶既能模拟活组织的力学特性，又能主动吸引周围细胞，促进愈合和组织再生，无需额外的化学添加剂。

"这个项目始于一个关于如何构建基于细胞外囊泡的水凝胶的基本问题。酸奶细胞外囊泡为我们提供了一个实用工具，但它们不仅仅是模型，"领导这项研究的Correa说，他与Correa实验室的NSF研究生研究员Artemis Margaronis合作。"我们发现它们具有固有的再生潜力，这为新型、可获得的治疗材料打开了大门。"

Correa指导哥伦比亚大学的纳米尺度免疫工程实验室，他的研究集中于药物递送和免疫工程。他还是Herbert Irving综合癌症中心的成员，并与哥伦比亚大学工程学院的同事Kam Leong合作进行该项目。通过与帕多瓦大学的研究人员进行国际合作，包括Elisa Cimetta（工业工程系）和研究生Caterina Piunti，这项研究得到了进一步加强。通过将帕多瓦团队在农业细胞外囊泡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，团队展示了跨学科全球合作在推进生物材料创新中的力量。

通过使用酸奶衍生的细胞外囊泡，团队定义了一个设计空间，用于生成将细胞外囊泡作为结构和生物学元素整合的水凝胶。他们使用哺乳动物细胞和细菌衍生的细胞外囊泡进一步验证了该方法，证明该平台是模块化的，并与多种囊泡来源兼容。这可能为伤口愈合和再生医学中的高级应用打开大门，在这些领域中，当前的治疗往往在促进长期组织修复方面不足。通过将细胞外囊泡直接整合到水凝胶结构中，该材料能够持续递送其生物活性信号。由于水凝胶是可注射的，它还可以局部递送到受损组织。

早期实验表明，酸奶细胞外囊泡水凝胶具有生物相容性，并在免疫健全小鼠中在一周内驱动强大的血管生成活性，这表明农业细胞外囊泡不仅支持基础生物材料研究，而且作为下一代生物技术具有治疗潜力。在小鼠中，该材料未显示不良反应迹象，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团队还观察到水凝胶创造了一个富含抗炎细胞类型的独特免疫环境，这可能有助于观察到的组织修复过程。团队正在探索这种免疫响应如何帮助指导组织再生。

"能够设计一种材料，既能密切模拟身体的自然环境，又能加速愈合过程，为再生医学打开了一个充满可能性的新世界，" Margaronis说。"这样的时刻提醒我，为什么生物医学工程研究领域总是处于激动人心事物的前沿。"