组织工程支架结合运动治疗大鼠模型中的体积性肌肉损失

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体积性肌肉损失 聚己内酯 银纳米粒子 脱细胞人羊膜 运动

学术背景

体积性肌肉损失（Volumetric Muscle Loss, VML）是一种严重的肌肉损伤，通常由创伤、缺血或肿瘤切除引起。VML会导致肌肉纤维的不可逆损失，进而引发纤维化、畸形和长期功能障碍。与普通的肌肉损伤不同，VML的再生能力非常有限，因为其损伤范围超出了肌肉的自我修复能力。传统的治疗方法，如物理治疗和细胞移植，效果有限，无法完全恢复肌肉功能。因此，组织工程（Tissue Engineering, TE）技术成为解决VML问题的一种有前景的方法。通过使用天然或合成的生物材料，组织工程支架可以为受损组织提供结构支持，促进血管化和神经再生，从而帮助功能性组织的再生。

本研究旨在探索一种新型的组织工程支架——结合银纳米颗粒（Silver Nanoparticles, AgNPs）的聚己内酯（Polycaprolactone, PCL）支架，以及脱细胞人羊膜（Decellularized Human Amniotic Membrane, HAM）支架，结合强制运动训练，治疗大鼠模型中的VML。研究希望通过这种组合疗法，促进血管化、神经再生和肌纤维再生，从而改善肌肉功能。

论文来源

本论文由Maryam Zohour Soleimani、Fereshteh Nejaddehbashi、Mahmoud Orazizadeh、Seyed Esmaeil Khoshnam和Vahid Bayati共同撰写。作者来自伊朗Ahvaz Jundishapur University of Medical Sciences的解剖学系、细胞与分子研究中心（Cellular and Molecular Research Center, CMRC）以及波斯湾生理研究中心（Persian Gulf Physiology Research Center）。论文于2025年3月31日被接受，并发表在《Bionanoscience》期刊上，DOI为10.1007/s12668-025-01921-7。

研究流程

1. 材料与支架制备

研究首先制备了两种支架：PCL/Ag（聚己内酯/银纳米颗粒）和PCL/HAM/Ag（聚己内酯/脱细胞人羊膜/银纳米颗粒）。
- 银纳米颗粒的合成：通过化学还原法合成AgNPs，使用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）表征其尺寸和形态。
- 脱细胞人羊膜的制备：从剖宫产手术中获取人羊膜，经过多次冻融循环和酶处理，去除细胞成分，保留细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）。
- 支架的制备：通过静电纺丝技术（Electrospinning）制备PCL/Ag纳米纤维，并将其与HAM结合，形成PCL/HAM/Ag复合支架。

2. 支架的表征

使用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）和场发射扫描电子显微镜（Field Emission SEM, FE-SEM）观察支架的微观结构和纤维排列。通过拉伸试验评估支架的机械性能，并使用能量色散X射线光谱（Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX）验证AgNPs的存在。

3. 抗菌性能测试

研究评估了支架对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的抗菌效果，通过测量抑菌圈（Inhibition Zone）确定其抗菌活性。

4. 细胞实验

  • 细胞粘附和增殖：将人胚胎肾细胞（HEK 293）接种在支架上，通过MTT（3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide）实验评估细胞活性和增殖能力。
  • 细胞迁移实验：通过划痕实验（Scratch Test）评估支架提取物对细胞迁移的影响。

5. 动物实验

  • VML模型的建立：在8周龄的Wistar大鼠的左胫骨前肌（Tibialis Anterior, TA）中制造30%的VML损伤。
  • 支架移植：将PCL/Ag和PCL/HAM/Ag支架移植到损伤部位，并在术后进行强制跑步机训练。
  • 功能评估：通过开放式场地测试（Open Field Test）和行走行为评估（Walking Behavior Assessment）观察大鼠的运动功能恢复情况。
  • 组织学分析：在术后7天、14天和28天采集组织样本，进行苏木精-伊红染色（Hematoxylin & Eosin, H&E）、Masson三色染色和免疫组化染色（Desmin染色），评估肌肉再生和血管化情况。

主要结果

  1. 支架的表征：PCL/Ag和PCL/HAM/Ag支架均显示出良好的纤维排列和机械性能，HAM的加入显著提高了支架的机械稳定性。
  2. 抗菌性能：两种支架对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均表现出显著的抗菌活性，其中对金黄色葡萄球菌的抑制作用更强。
  3. 细胞实验：PCL/Ag支架在细胞粘附和增殖方面优于PCL/HAM/Ag支架，表明其更适合细胞生长。
  4. 动物实验：术后28天，PCL/Ag和PCL/HAM/Ag支架均促进了肌肉再生和血管化，结合强制运动训练的大鼠表现出显著的运动功能恢复。

结论

本研究首次将AgNPs与PCL/HAM支架结合，用于治疗VML损伤。研究结果表明，PCL/Ag和PCL/HAM/Ag支架结合强制运动训练，能够有效促进肌肉再生、血管化和神经再生，从而改善肌肉功能。这一发现为VML的治疗提供了新的思路，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

  1. 创新性支架设计：首次将AgNPs与PCL/HAM支架结合，增强了支架的抗菌性能和机械稳定性。
  2. 综合疗法：将组织工程支架与强制运动训练结合，显著提高了肌肉功能恢复的效果。
  3. 多维度评估：通过细胞实验、动物实验和组织学分析，全面评估了支架的治疗效果。

意义与价值

本研究为VML的治疗提供了一种新的综合疗法，展示了组织工程支架结合运动训练的潜力。这一方法不仅能够促进肌肉再生，还能改善患者的运动功能，具有重要的临床应用前景。未来研究可以进一步优化支架设计，延长植入时间，并探索更多功能评估方法，以验证其长期效果。