利用可注射生物水凝胶构建富血管化皮下空间以增强细胞移植效果

《Scientific Reports》：Creation of a rich vascular subcutaneous space for cell transplantation via injectable biological hydrogels

本研究针对皮下细胞移植中血管化不足的难题，开发了一种微创策略。研究人员通过皮下注射人源I型胶原、纤维蛋白和藻酸盐三种水凝胶，系统评估其在SD大鼠模型中诱导新生血管形成的能力及组织反应。结果表明，人I型胶原和纤维蛋白水凝胶能诱导快速且持久的血管生成（1周时血管密度分别增加2.79倍和3.18倍），并保持优良的生物相容性；而藻酸盐虽早期促血管生成作用最强（3.96倍），但伴随显著炎症和纤维化。该研究为细胞移植提供了理想的预血管化微环境。

　　

在治疗终末期器官衰竭的众多策略中，器官移植虽被视为金标准，却始终面临全球性供体器官短缺和伦理困境的双重挑战。近年来，随着再生医学的迅猛发展，细胞移植作为一种充满潜力的替代方案崭露头角。特别是在糖尿病治疗领域，研究人员已成功将人类间充质干细胞（Mesenchymal Stem Cells, MSCs）诱导分化为具有功能的胰岛素生成细胞（Insulin-Producing Cells, IPCs）。然而，如何为这些移植细胞找到一个能长期维持其存活和功能的“家”，成为制约该技术临床转化的关键瓶颈。

在众多备选移植部位中，皮下空间因其易于访问、操作微创、可容纳大量细胞且便于后续监测和取出等优势而备受青睐。但遗憾的是，皮下组织天然的血管分布较为稀疏，这种“贫瘠”的微环境无法为移植细胞提供充足的氧气和营养，导致细胞存活率低，移植效果不尽如人意。因此，如何在皮下主动“开垦”出一片血管丰富的“沃土”，成为研究人员亟待攻克的核心难题。

以往为了改善移植部位的血管化，科学家们尝试了多种策略，例如使用脱细胞的细胞外基质支架、利用带血管蒂的组织瓣进行原位预血管化，甚至构建动静脉环模型。这些方法虽然有效，但往往过程复杂、需要多次外科手术，限制了其临床广泛应用。相比之下，可注射的生物水凝胶材料因其能模拟天然细胞外基质的特性，并可通过微创注射方式导入，展现出巨大的应用前景。那么，能否通过简单的皮下注射合适的生物水凝胶，来诱导机体自身产生丰富的新生血管网络，从而为后续的细胞移植创造一个理想的“落脚点”呢？

为了回答这个问题，来自曼苏拉大学泌尿外科和肾病中心的研究团队在《Scientific Reports》上发表了他们的最新研究成果。他们开展了一项精心设计的动物实验，旨在系统评估三种可注射生物水凝胶——人源I型胶原、人源纤维蛋白以及藻酸盐——在Sprague Dawley（SD）大鼠皮下诱导功能性新生血管形成的潜力、持久性以及生物相容性。

研究人员采用了一种巧妙的实验设计来减少个体差异对结果的影响。他们在同一只大鼠背部的不同区域，分别于第1、2、4周时依次注射同一种水凝胶，并在相应时间点获取组织样本进行分析。这样，每个大鼠身上既有处理后的组织，也有未处理的自身对照组织，极大地提高了实验的准确性和可靠性。他们以已知会引发异物反应的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（Polylactide-co-glycolide, PLG）支架作为阳性对照。评估手段非常全面，包括宏观观察组织反应、苏木精-伊红（H&E）染色观察组织形态、CD34免疫组织化学（IHC）和免疫荧光（IF）染色精确定量新生血管密度，以及马松三色（Masson’s Trichrome）染色检测纤维化情况。

主要关键技术方法

本研究主要在SD大鼠模型上进行。关键方法包括：1) 三种水凝胶（人I型胶原、人纤维蛋白、藻酸盐）和PLG支架的制备与标准化皮下注射/植入；2) 采用时序性注射策略（1、2、4周）并在同一动物体内设置自身对照；3) 综合运用宏观观察、H&E染色、CD34 IHC/IF进行新生血管定量评估，以及Masson三色染色进行纤维化评估；4) 使用非参数统计方法进行数据分析。

宏观评估血管化及组织反应

研究发现，注射了人I型胶原和纤维蛋白水凝胶的皮下组织，从第一周开始就出现了肉眼可见的局部发红和血管网络增多的迹象，提示有活跃的新生血管形成，并且没有观察到明显的纤维化。这种积极的血管化状态持续到了第二周和第四周。相比之下，藻酸盐和PLG支架组在早期也表现出红肿，但这更多是炎症反应所致，并且到了第四周，这些部位形成了明显的纤维组织。尽管也有一些血管特征，但持续的异常红肿表明存在炎症而非功能性血管生成。

新生血管化的微观评估

通过H&E染色观察，人I型胶原和纤维蛋白处理组的组织保持了完整的脂肪结构，新形成的血管呈现出典型的渗漏形态，数量显著多于正常对照组。而藻酸盐组虽然也有新生血管，但被密集的炎症细胞浸润所掩盖。PLG支架组也观察到了类似的血管反应和持续的炎症。

免疫组织化学（IHC）染色

CD34 IHC染色提供了血管密度的定量数据。结果显示，人I型胶原组在第1、2、4周的血管密度分别比对照组增加了2.79倍、2.4倍和1.94倍。人纤维蛋白组相应时间点的增幅分别为3.18倍、2.35倍和2.3倍。这两个组在所有时间点的增加都具有统计学显著性。藻酸盐组早期促血管生成能力最强，第1周增加了3.96倍，但到第4周时降至1.72倍。PLG支架组仅引起轻微的血管增加，且随时间变化不显著。

免疫荧光（IF）染色

CD34免疫荧光结果与IHC相互印证。人I型胶原和纤维蛋白组显示了形态良好、逐渐成熟且与周围组织整合的毛细血管样结构。藻酸盐组则呈现强烈但杂乱无章的CD34阳性信号，血管结构不连贯，并与炎症区域相关。PLG支架组显示斑片状的血管染色和结构不良的血管，伴有强烈的炎症反应。

各组间比较分析

统计分析表明，在注射后第1周，所有生物材料均显著促进了血管生成，其中藻酸盐的效果最强，显著高于纤维蛋白组。第2周时，藻酸盐的血管密度仍然最高，显著高于人I型胶原和纤维蛋白组。然而，到了第4周，各组间的血管密度不再有显著差异，但人I型胶原和纤维蛋白组维持了相对较高的血管密度，而藻酸盐和PLG支架组的血管密度下降更为明显。

炎症反应和纤维化评估

组织学评估清晰地显示了不同材料的生物相容性差异。人I型胶原和纤维蛋白处理的组织在所有时间点均未引发明显的炎症细胞浸润或纤维化。相反，藻酸盐注射部位出现了异物反应，包括上皮样细胞、多核巨细胞和淋巴细胞浸润，并在第4周出现纤维化。PLG支架植入部位则始终存在持续的异物反应和纤维组织形成。

研究结论与意义

这项研究得出明确结论：通过皮下注射人源性的I型胶原水凝胶或纤维蛋白水凝胶，能够快速（一周内达到高峰）并在长达四周的时间内持续地诱导皮下组织产生丰富且功能性的新生血管网络，同时不引发显著的炎症或纤维化反应，表现出优异的生物相容性。相比之下，藻酸盐虽能诱导更强的早期血管生成，但伴随的炎症和纤维化反应使其不适合临床应用。PLG支架作为对照，确证了其会引发异物反应。

该研究的成功具有多重重要意义。首先，它提供了一种极其简单、微创且高效的策略，为细胞移植（尤其是像胰岛移植治疗糖尿病这类应用）创建了一个理想的皮下“预血管化床位”。这有望显著提高移植细胞的存活率和功能持久性。其次，研究强调了生物材料来源和处理方式对其体内反应的关键影响，人源材料显示了更好的相容性。此外，研究中采用的时序性自身对照设计为未来类似研究提供了方法学参考。

当然，作者也指出了研究的局限性，例如更长的观察时间、更大样本量、在大型动物模型中的验证、使用CD31和α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）等更多血管标志物进行确认，以及评估新生血管的实际灌注功能等，将是未来研究需要进一步探索的方向。但无论如何，这项研究为推进细胞移植技术的临床转化迈出了坚实而重要的一步，巧妙地将基础生物材料科学与临床需求相结合，开辟了一条充满希望的新途径。