《Bioactive Materials》：Bacterial synthesis of personalized biomimetic biological cornea
编辑推荐：
为解决角膜移植供体短缺及现有人工角膜材料在透明度、曲率匹配和抗瘢痕形成方面存在的挑战，研究人员开展了一项关于细菌合成个性化仿生生物角膜的研究。该研究利用细菌合成生物学技术，结合可定制曲率模具和醛基修饰系统，成功制备了具有纳米纤维网络结构的个性化仿生生物角膜（DBC@L-Cel）。该材料光学透光率达91.91%，力学性能与天然角膜匹配，并通过负载人源角膜基质透镜微粒（L）和雷公藤红素（Cel）显著增强了生物相容性、粘附性和抗瘢痕能力。体内外实验证实，DBC@L-Cel能有效抑制角膜基质纤维化，促进角膜上皮修复，实现无瘢痕再生。该研究为角膜盲的个性化移植治疗提供了一种创新性替代方案。
论文解读
研究背景：角膜盲的困境与人工角膜的挑战
角膜盲是全球第二大致盲性眼病，角膜移植是恢复视力的主要手段。然而，全球范围内可供移植的角膜供体严重短缺，且供需缺口日益加剧。此外，角膜病变的形态、大小和深度各异，对移植物的曲率、形态和透明度提出了个性化定制的需求。目前，脱细胞猪角膜等异种移植物虽已进入临床，但仍面临免疫排斥和跨物种感染风险；而合成聚合物材料则难以在光学透明度和力学强度之间取得理想平衡。
细菌纤维素（Bacterial Cellulose, BC）作为一种由微生物合成的天然高分子材料，因其优异的力学性能和生物相容性而备受关注。然而，传统静态培养获得的BC透明度不足，且缺乏促进细胞粘附和迁移的能力，限制了其在角膜组织工程中的应用。因此，开发一种兼具高透明度、可定制曲率、优异力学性能及抗瘢痕功能的个性化仿生生物角膜，对于解决角膜盲的治疗难题具有重大意义。
研究概述
本研究发表于《Bioactive Materials》，由复旦大学附属眼耳鼻喉科医院赵婧教授、周行涛教授和崔文国教授团队合作完成。研究团队利用细菌合成生物学技术，结合可定制曲率模具和醛基修饰系统，成功制备了一种名为DBC@L-Cel的个性化仿生生物角膜。该材料不仅光学和力学性能与天然角膜高度匹配，还通过负载人源角膜基质透镜（Lenticule, L）和雷公藤红素（Celastrol, Cel）赋予了其优异的生物相容性、细胞粘附性和抗瘢痕能力。体内外实验证实，DBC@L-Cel能有效抑制角膜基质纤维化，促进角膜上皮修复，在兔大范围角膜缺损模型中实现了快速、无瘢痕的角膜重建。
关键技术方法
本研究主要采用了以下关键技术方法：
- 1.
个性化模具制备与细菌合成：利用3D打印技术制备不同曲率的角膜模具，通过涂覆透气性硅胶形成反应器，引导木葡糖酸醋杆菌（Komagataeibacter xylinus）在定制曲率的界面上合成BC。
- 2.
材料功能化修饰：采用高碘酸钠氧化法对BC进行醛基化修饰，制备二醛细菌纳米纤维素（Dialdehyde Bacterial Nanocellulose, DBC），以提升透明度。随后，通过EDC/NHS介导的酰胺化反应，将来源于SMILE手术的人源角膜基质透镜（L）和雷公藤红素（Cel）共价接枝到DBC上，构建DBC@L-Cel。
- 3.
材料表征与性能评估：利用扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）等对材料形貌、化学结构和元素组成进行表征；通过紫外-可见分光光度计、万能材料试验机、原子力显微镜（AFM）等评估其光学、力学和表面性能。
- 4.
体外细胞功能验证：采用Transwell共培养、划痕实验、活/死细胞染色、流式细胞术、免疫荧光染色等方法，评估DBC@L-Cel对人角膜基质细胞（p-HCSCs）和人角膜上皮细胞（HCECs）的细胞毒性、抗纤维化作用及促修复能力。
- 5.
体内动物实验：建立兔大范围角膜缺损模型，通过裂隙灯、眼前节OCT（AS-OCT）、共聚焦显微镜等无创成像技术，以及H&E染色、Masson染色、免疫组化等组织学分析，系统评估DBC@L-Cel在体内的修复效果、生物相容性和长期安全性。
研究结果
1. 个性化仿生生物角膜的合成与表征
研究团队首先利用3D打印技术制备了不同曲率的模具，通过细菌静态培养合成了具有可定制曲率的BC。随后，通过高碘酸钠氧化法对BC进行醛基化修饰，成功制备了二醛细菌纳米纤维素（DBC）。透光率测试显示，培养3天的DBC透光率高达91.91%，与天然角膜基质透镜无显著差异。通过EDC/NHS介导的酰胺化反应，将人源角膜基质透镜（L）和雷公藤红素（Cel）共价接枝到DBC上，最终构建了DBC@L-Cel。扫描电镜观察显示，DBC@L-Cel具有三维微孔结构，表面分布着均匀的纳米纤维。XPS和FTIR分析证实了L和Cel的成功接枝。力学性能测试表明，DBC@L-Cel的杨氏模量与天然角膜基质透镜相当，具有良好的生物力学相容性。
2. 仿生生物角膜的体外抗纤维化功能
为了评估DBC@L-Cel的抗纤维化能力，研究人员利用转化生长因子-β1（TGF-β1）诱导人角膜基质细胞（p-HCSCs）发生纤维化。体外实验结果表明，DBC@L-Cel能显著抑制TGF-β1诱导的α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）、纤维连接蛋白（FN）和I型胶原（COL1A1）等纤维化标志物的表达。转录组测序分析发现，DBC@L-Cel通过抑制AGE/RAGE/NF-κB和PI3K/AKT信号通路，从而发挥抗纤维化作用。此外，DBC@L-Cel还具有良好的生物相容性，对p-HCSCs的增殖和存活无显著影响。
3. 仿生生物角膜的体外促上皮修复功能
在评估促修复功能时，研究人员发现DBC@L-Cel能显著促进人角膜上皮细胞（HCECs）的迁移和粘附。划痕实验显示，与DBC@L-Cel共培养的HCECs迁移速度显著加快。活/死细胞染色和免疫荧光染色证实，DBC@L-Cel表面能支持HCECs的良好粘附和生长，并维持其正常的细胞角蛋白12（CK12）表达。转录组测序分析进一步揭示，DBC@L-Cel通过激活Wnt/β-catenin信号通路，上调了与细胞增殖、迁移和粘附相关的基因表达，从而促进了角膜上皮的修复。
4. 仿生生物角膜在体内大范围角膜缺损修复中的短期疗效
在兔大范围角膜缺损模型中，研究人员将DBC@L-Cel移植至缺损区域，并用GelMA光交联固定。术后观察发现，DBC@L-Cel组角膜上皮愈合速度显著快于损伤对照组，且角膜透明度保持良好。眼前节OCT（AS-OCT）检查显示，DBC@L-Cel组角膜厚度和上皮厚度均显著增加，角膜形态规则，无明显瘢痕形成。组织学染色结果证实，DBC@L-Cel能有效抑制α-SMA和COL1A1的表达，促进角膜基质的无瘢痕再生。
5. 仿生生物角膜的长期疗效与安全性评估
术后3个月的长期随访结果显示，DBC@L-Cel组角膜仍保持高度透明，无明显瘢痕。AS-OCT和角膜地形图检查显示，DBC@L-Cel组角膜曲率规则，形态稳定。组织学染色进一步证实，DBC@L-Cel组角膜基质胶原排列有序，无明显纤维化。此外，视网膜组织学检查和主要器官的H&E染色均未发现明显毒性反应，证明了DBC@L-Cel具有良好的长期生物安全性。
结论与意义
本研究成功开发了一种名为DBC@L-Cel的细菌合成个性化仿生生物角膜。该材料不仅具有与天然角膜相匹配的光学透明度和力学性能，还通过负载人源角膜基质透镜和雷公藤红素，赋予了其优异的生物相容性、细胞粘附性、抗纤维化和促修复能力。体内外实验证实，DBC@L-Cel能有效抑制角膜基质纤维化，促进角膜上皮再生，在兔大范围角膜缺损模型中实现了快速、无瘢痕的角膜重建。该研究为角膜盲的个性化移植治疗提供了一种创新性、安全有效的替代方案，具有重要的临床转化前景。
