生物自适应物理水凝胶通过动态组织工程实现气管重建

《Nature Communications》：A bio-adaptive physical hydrogel enables dynamic tissue engineering for tracheal reconstruction

长段气管缺损修复是临床难题。本研究开发了一种生物自适应物理水凝胶（BP-Gel），通过模拟胚胎软骨形成过程构建仿生软骨环（BioC），并结合白细胞介素凝胶（IL-Gel）调控免疫微环境。该策略成功重建了具有天然气管结构和功能的气管替代物，为长段气管重建提供了新途径。

　　

气管是维持呼吸通畅的关键通道，但长段气管缺损的治疗仍是临床面临的巨大挑战。由于恶性肿瘤、严重感染或先天性畸形导致的长段气管缺损，往往危及患者生命。虽然气管置换是唯一可行的治疗方法，但目前尚无临床批准的气管替代物。天然气管具有复杂的多层结构，包括提供机械支撑的软骨环、跨壁血管网络和防御性气道上皮。传统组织工程方法构建的气管替代物存在软骨结构简单、易降解、易塌陷等问题，且植入后常因局部炎症反应导致功能丧失。

近日，发表于《Nature Communications》的一项研究提出了一种创新的动态组织工程（DTE）策略。该研究开发了一种生物自适应物理水凝胶（BP-Gel），通过模拟天然气管发育的动态过程，成功实现了功能性气管的重建。

研究人员为开展此研究，主要运用了以下关键技术方法：合成了具有温敏性的PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物以制备BP-Gel；通过体外三维培养构建了仿生软骨（BioC）；建立了包括Transwell共培养和气液界面（ALI）培养在内的多种细胞共培养模型；利用兔长段气管缺损模型进行体内功能验证；并综合运用组织学染色、免疫荧光、RNA测序及生物力学测试等多种分析手段对结果进行系统评价。

仿生软骨的构建与表征

研究人员首先将软骨细胞接种于BP-Gel中进行三维培养。与传统的化学交联水凝胶（如GelMA）相比，BP-Gel的物理交联网络具有动态适应性，其表面由聚乙二醇（PEG）链段通过氢键形成的水合层创造了抗粘附微环境，迫使软骨细胞自发聚集、融合，形成类胚胎软骨形成过程中的细胞凝聚体。这种动态培养环境诱导软骨细胞高表达缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）和II型胶原α1链（COL2A1），并促进了软骨特异性细胞外基质（ECM）的沉积。体外培养4周后，皮下植入裸鼠体内，形成的BioC呈现出类似天然软骨的“皮质-髓质”分层结构。这种结构，特别是外层的皮质层，能有效抵抗细胞浸润和基质金属蛋白酶13（MMP13）介导的降解，并缓解软骨环内的应力集中，从而增强力学稳定性。

IL-Gel的免疫调节功能

研究进一步将抗炎细胞因子IL-4和IL-13负载于BP-Gel中，制成IL-Gel。体外实验表明，IL-Gel能有效诱导巨噬细胞向M2表型极化，降低促炎因子（如TNF, IL1B）表达，增加抗炎因子（如IL10）和促再生因子（如TGF-β1, TGF-β3, IGF-1, bFGF）的分泌。在共培养体系中，IL-Gel诱导极化后的巨噬细胞条件培养基能显著促进软骨细胞的软骨形成、人脐静脉内皮细胞（HUVEC）的成管能力以及兔气管上皮细胞的迁移和纤毛分化。

体内动态组织工程气管重建

在兔气管重建模型中，研究人员将体外预制的BioC环叠加，并在环间空隙注入IL-Gel，构成DTE气管替代物（BP-Gel+IL-Gel组）。该替代物首先在兔颈阔肌内异位植入4周以实现血管化整合，随后用于修复气管节段性缺损。与仅使用BioC环的对照组（BP-Gel组）相比，BP-Gel+IL-Gel组兔子术后8周存活率达到62.5%，且呼吸频率、血氧饱和度等生理指标更优。组织学分析显示，BP-Gel+IL-Gel组的气管软骨保留完好，COL2A1基质沉积丰富，上皮层更厚且具有更多的纤毛覆盖，血管网络也更接近天然气管的有序结构。生物力学测试证实，BP-Gel+IL-Gel组重建气管的最大压缩力和拉伸力均显著优于对照组。有限元分析表明，IL-Gel通过维持软骨结构的完整性，有效避免了气管腔内的应力集中，从而防止了气管塌陷。

结论与意义

本研究成功开发了一种基于生物自适应物理水凝胶的动态组织工程策略，用于长段气管重建。BP-Gel独特的物理性质为软骨细胞提供了能够动态重塑的微环境，引导其形成具有天然“皮质-髓质”结构的仿生软骨，显著提升了力学性能和抗降解能力。IL-Gel则通过调控局部免疫微环境，减轻炎症反应，促进功能性血管生成和上皮再生，为气管替代物的长期存活和功能维持提供了保障。在大型动物模型上的成功验证，展示了该策略巨大的临床转化潜力。这项研究不仅为气管重建提供了创新性解决方案，其“模拟发育过程、动态调控微环境”的核心思想也为其他复杂器官的再生提供了重要的理论依据和技术借鉴。