【引言】?

包括人類在內的最新r綜織原所有生物，都能夠通過分子過程介導再生，述用生的生物分子過程則是于組由控制更新、恢復和生長的位再基因表達方案指導的。其中，工程利用人體再生能力，材料材料以及結合工程生物材料的最新r綜織原方法，被稱為原位組織再生。述用生的生物具體來說，于組可用于引導內源性細胞或干細胞到損傷部位，位再并有助于受損組織的工程愈合。在此過程中，材料材料生物材料提供了一個結構框架，最新r綜織原以促進宿主干細胞的述用生的生物附著和遷移，并推動這些細胞分化為組織特異性細胞。于組組織工程的現代概念是Langer and Vacanti于1993年提出，從那時起，已經制備了一系列具有可調諧生物物理和生化特性的合成生物材料。為了優化細胞的使用，已經開發了在特定的體外條件下分離和擴增細胞的策略，填充合成支架并獲得含有細胞的支架并被植入體內。

最近，細胞重編程的概念從根本上改變了再生醫學的進程。使用這種方法，分化的細胞，如皮膚細胞，可以通過傳遞細胞命運變化的轉錄因子直接轉化為多能狀態。因此，這項技術提供了一個無限的細胞，可以通過表達轉錄的“代碼”直接重新編程（轉分化）到特定的譜系。同時，損傷組織的再生可以通過兩種組織工程方法來實現-體外和原位。與體外系統相比，更多的原位生物材料系統可用于臨床。其中包括用于骨科或牙科應用的骨移植物、神經根和神經管，原位生物材料系統由于缺乏細胞成分而面臨較少的調控障礙。然而，生物材料原位組織再生具有與體內微環境相互作用和改變體內微環境的能力。因此，基于生物材料的原位再生的額外驗證和驗證測試需要比生物惰性支架或設備更多的努力和資源。

近日，美國加州Terasaki研究所所長兼首席執行官Ali?Khademhosseini博士（通訊作者）團隊概述了原位組織再生的最新進展。首先討論了身體的先天再生潛力，包括組織特異性干細胞壁在局部組織再生中的作用，影響內源性細胞動力學的因素，以促進組織的愈合，整合和再生。其次，作者討論生物物理和工程生物材料在引導內源性細胞到植入部位和啟動中的生化特性。最后，作者討論了生物材料驅動的方法，從而利用具有先天再生潛力的身體。尤其是作者專注于通過生物材料和支架提供的細胞外信號進行組織再生，以及利用生物材料通過細胞內傳遞重編程因子重新編程內源性細胞。總體而言，通過工程生物材料利用人體的再生潛力是一種替代受傷或患病組織的簡單有效的方法。相關研究成果以“Engineered biomaterials for in situ tissue regeneration”為題發表在Nature Reviews Materials上。

【圖文導讀】

圖一、原位組織工程

（a）傳統的組織工程方法需要預先植入支架以及植入支架和體外調理；

（b）原位組織再生利用生物反應材料，其利用身體的先天再生能力。

圖二、先天再生

圖三、用于原位組織再生的生物材料的工程方法

（a）開發了一系列生物材料支架，包括單片、微孔、納米粒子、纖維、水凝膠和三維打印支架，以利用其固有的再生能力；

（b）生物物理特性包括粘彈性、剛度、結構和退化等體積特性，以及表面性質，如納米材料的形狀和尺寸，粗糙度，電荷和潤濕特性。

圖四、原位組織再生的兩種途徑

（a）第一種方法控制細胞外部微環境，引導內源性細胞刺激組織再生；

（b）第二種方法側重于內源性細胞的直接重新編程，通過細胞內傳遞生物分子來激活不同水平的靶基因。

圖五、通過調節細胞外微環境原位組織再生

（a）在生物材料植入后不久，血清蛋白的吸附決定了免疫反應；

（b）生物材料的生物物理和生化線索可以通過特定的免疫細胞來指導免疫反應；

（c）生物材料的物理特性，如機械剛度，微孔結構，表面粗糙度和降解，特定的內源性細胞和促進譜系特異性分化；

（d）內源性細胞，包括免疫細胞和干細胞，可以通過細胞因子，細胞粘附蛋白和生長因子等特定生物分子的表現來確定。

圖六、原位細胞重編程用于組織再生

（a）基因表達在幾個階段受到調控，表達水平受到多種因素的控制，包括表觀遺傳學、轉錄控制、RNA加工、生物物理和生物化學微環境和外部刺激；

（b）細胞內傳遞轉錄因子（TFs）將細胞從一種細胞類型重新編程到另一種細胞類型，有可能重塑染色質以激活和沉默特定的基因表達程序；

（c）修改后的Waddington模型用于細胞重編程；

（d）基于RNA的蛋白質表達和基因治療；

（e）用于體內傳遞基因編輯工具CRISPR-Cas9的生物材料；

（f）生物材料的物理和生化線索可以誘導表觀遺傳修飾。

圖七、組織再生工程生物材料發展的新趨勢

（a）動態生物材料可以以非侵入性的方式微調植入后的愈合反應；

（b）采用微創方法，包括微針和剪切減薄生物材料；

（c） 基于礦物的生物材料可以通過釋放礦物離子指導在沒有治療蛋白和其他生物活性線索下的細胞功能；

（d）添加劑制造方法可用于設計復雜的組織結構；

（e）利用基于組學的方法可以優化和驗證下一代生物響應材料的設計。

【小結】

總而言之，過去的幾年里，在生物材料發展方面取得了廣泛的進展，得以控制和指導身體的先天再生潛力。從進一步發展的機會來看，現有的方法可用于深入了解各種生物材料的體內反應，這些材料在很大程度上依賴于基于成像的方法。工程細胞的單細胞測序提供了無與倫比的能力，以測量細胞重新編程的精度和準確性，并檢測基于生物材料的原位方法。隨著越來越多的生物材料特性對基因表達影響，使用基于人工智能的方法來學習和預測潛在的結果將是可行的方案。

文獻鏈接：“Engineered biomaterials for in situ tissue regeneration”(Nature Reviews Materials，2020，10.1038/s41578-020-0209-x)

本文由CYM編譯供稿。