水凝胶-外泌体系统在组织工程中的应用：一种有前景的治疗策略

作者及机构
本文由Ming-Hui Fan、Jin-Kui Pi等来自四川大学华西医院骨科研究所、干细胞与组织工程实验室的研究团队共同完成，通讯作者为Hui-Qi Xie。文章于2024年4月23日发表在期刊*Bioactive Materials*（第38卷）上，是一篇开放获取的综述文章，遵循CC BY-NC-ND 4.0许可协议。

研究背景与主题
随着再生医学的发展，外泌体（exosomes）作为细胞间通讯的关键介质，因其在免疫调节、细胞增殖和组织修复中的作用，成为“无细胞治疗”的重要载体。然而，外泌体的临床应用面临稳定性差、体内滞留时间短等技术挑战。水凝胶（hydrogel）因其优异的生物相容性、可降解性和可调控的物理化学性质，成为外泌体的理想载体。两者的结合——水凝胶-外泌体系统（hydrogel-exosome system）——不仅能提升外泌体的递送效率，还能协同促进组织修复。本文系统综述了十年来该系统的研究进展，重点探讨了其在皮肤、骨、软骨、神经和肌腱再生中的应用，并分析了当前研究的局限性与未来方向。

主要观点与论据

1. 外泌体的生物学特性与来源多样性
   外泌体是直径40-160 nm的杯状膜泡，起源于多泡体（MVBs），通过膜融合释放到胞外空间。其携带蛋白质、脂质和核酸等生物分子，通过配体-受体相互作用或内吞等机制选择性递送至靶细胞，调控微环境。外泌体来源广泛，包括哺乳动物细胞（如间充质干细胞、免疫细胞）、植物（如生姜、人参）和微生物（如乳酸菌）。不同来源的外泌体功能各异：间充质干细胞外泌体（MSC-exos）可促进血管生成和抗炎；植物外泌体（如生姜来源）具有抗肿瘤和调节肠道菌群的作用；微生物外泌体（如乳酸菌来源）则能调控宿主免疫反应。例如，Ginger-derived exosomes通过抑制炎症因子IL-6和TNF-α展现抗炎活性（Zhang et al., 2023）。

2. 外泌体的提取与工程化改造
   外泌体提取方法包括差速超速离心（differential ultracentrifugation）、密度梯度离心、尺寸排阻色谱等，但单一方法难以兼顾纯度与产量。新兴的微流控技术通过抗体修饰纳米芯片可实现97.7%的捕获效率（如HER2阳性外泌体）。工程化改造是提升外泌体功能的关键：

   • 表面修饰：如靶向肽修饰可增强外泌体对心肌细胞的亲和力（摄取效率提升3.8倍）；
     
   • 载药优化：通过电穿孔加载阿霉素（doxorubicin）可治疗后囊膜混浊（PCO）；
     
   • miRNA调控：工程化miR-31外泌体通过抑制HIF1AN促进伤口血管生成。
     此外，PEG化可延长外泌体体内循环时间，减少免疫清除（Yuan et al., 2022）。

3. 水凝胶作为外泌体载体的优势
   水凝胶的三维网络结构可保护外泌体并控制其释放。根据材料来源，水凝胶分为天然（如胶原、透明质酸）和合成（如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺）两类：

   • 天然水凝胶：胶原（collagen）含RGD序列促进细胞粘附，但机械强度低，需与纳米纤维素复合增强（Liu et al., 2021）；透明质酸（hyaluronic acid）通过CD44受体靶向肿瘤细胞；
     
   • 合成水凝胶：聚乙二醇（PEG）基水凝胶可通过点击化学形成双网络结构，兼具机械强度与生物相容性（Sun et al., 2023）。
     特殊设计的温敏性水凝胶（如Poloxamer 407）在37°C下形成凝胶，实现外泌体的缓释（90%释放需28天）。

4. 水凝胶-外泌体系统的应用与机制

   • 皮肤修复：ADSC-exos通过调控巨噬细胞极化（M1→M2）减轻炎症，并上调α-SMA和FGF-2促进成纤维细胞增殖。负载外泌体的GelMA微针可穿透皮肤递送药物，联合银纳米粒子（AgNPs）抗感染（Chen et al., 2023）。
     
   • 骨/软骨再生：BMSC-exos通过miR-196a激活Wnt/β-catenin通路促进成骨分化；Silk fibroin水凝胶提供力学支撑，协同外泌体修复临界骨缺损（Fan et al., 2022）。
     
   • 神经修复：NSC-exos携带神经营养因子（如NDNF）促进轴突再生，HAMA水凝胶提供定向拓扑结构引导神经延伸（Li et al., 2021）。
     

5. 当前挑战与未来方向
   尽管水凝胶-外泌体系统展现出潜力，但仍存在外泌体产量低、标准化制备流程缺乏、长期安全性待验证等问题。未来研究需聚焦：

   • 开发低成本、高产量外泌体生产技术；
     
   • 设计智能响应性水凝胶（如酶响应、ROS响应）；
     
   • 推动大型动物实验向临床转化。
     

意义与价值
本文系统总结了水凝胶-外泌体系统的设计原理与应用进展，为组织工程提供了创新策略。其科学价值在于阐明了外泌体与水凝胶的协同机制，应用价值则体现在糖尿病溃疡、骨关节炎等难愈性疾病的治疗潜力。此外，植物和微生物来源外泌体的探索为个性化医疗开辟了新途径。

亮点
1. 跨学科整合：结合了细胞生物学、材料学和临床医学的多学科知识；
2. 技术创新：提出微流控提取、工程化外泌体修饰等前沿方法；
3. 应用广泛性：覆盖皮肤、神经、骨骼等多组织修复场景，具有临床转化前景。