图|pixabay

 

我们知道，海绵组织是阴茎的重要组成部分。具有完整海绵窦结构的健康海绵组织是维持阴茎正常勃起功能和泌尿功能的先决条件。海绵体作为终末器官，不能通过再生修复。由于各种解剖、美学和功能上的挑战，海绵体损伤的修复一直是一个难题。由于伦理问题，已报道的异体阴茎移植术是有争议的。由于来源有限、潜在的免疫原性、低孔隙度并且不能恢复阴茎功能，脱细胞基质置换也有缺陷。因此，迫切需要探索用于海绵状重建的有效再生疗法。

 

然而，作为最理想的海绵体修复方法，生物工程海绵体的构建还需要克服一些困难。由于海绵窦结构的复杂性和满足其生理功能所必需的特殊力学性能，用于海绵窦修复的生物材料必须具有良好的加工性能、适当的力学性能和生物相容性，以支持细胞的粘附、迁移和大量增殖。

 

那怎么办呢？

俄克拉荷马大学Chuanbin Mao和广州医科大学附属第三医院、华南理工大学施雪涛等人设计了一种具有多尺度多孔结构的仿生3D打印水凝胶支架，并对支架和细胞进行了改进，以减少缺损部位周围的纤维化，修复血管网络和海绵组织的生理功能。结果表明，由HIF-1α和VEGF表达（通过HIF-1α突变的MDSCs）诱导的血管生成的水凝胶支架有效修复了损伤的海绵体，并在4个月内恢复了体内的阴茎勃起和射精功能。相关成果于6月1日发表在Nature Communications上。

 

所需具体材料、技术和修饰

1）3D打印技术，一种有前景的工具来创建具有复杂仿生结构的3D生物材料。

2）水凝胶支架，选择水凝胶支架是因为它具有机械性强的多孔结构，为细胞生长、粘附和迁移提供了良好的微环境和空间，从而在结构和力学上与天然海绵体相匹配。

3）基因转染构造HIF-1α突变的肌肉衍生干细胞（MDSCs），使其在常氧和低氧状态下不仅稳定，还高水平地表达HIF-1α，以促进新血管形成。

4）肝素，这是对血管生成因子具有良好亲和力的带负电荷的多糖大分子，其通过结合血管生成蛋白例如血管内皮生长因子（VEGF）来加速新血管形成并改善其稳定性。肝素通过PLL的逐层组装工艺沉积在3D水凝胶支架的表面上。

图|兔损伤阴茎海绵体修复示意图

 

科学家是如何制备这个支架材料的呢？

研究人员主要是通过3D打印方法与紫外线（UV）光交联结合来合成了3D打印的水凝胶支架。支架由两种生物相容性的成分组成，即甲基丙烯酸透明质酸（HAMA）和甲基丙烯酰胺改性的明胶（GelMA）。3D打印油墨主要包含2％的HAMA，15％的GelMA和0.5％的光引发剂（I2959），表现出良好的剪切稀化特性和适当的粘度，可以随温度进行调整。

打印过程

 

所打印的水凝胶支架呈现规则的多孔结构，压缩测试曲线表明，水凝胶支架表现出突出的机械强度和重复的压缩应力是海绵体组织支架所承受的主要应力。因此，进行了3D打印的水凝胶支架的压缩测试和循环压缩测试。3D打印的水凝胶支架在20次循环压缩试验（应力高达40 kPa）后仍保持其原始机械性能，而没有任何损坏。

 

对肝素表面修饰的支架进行表征，具有良好的生物降解性和具有明显的抗凝作用，可防止血栓的形成。最后就把基因转染构造HIF-1α突变的肌肉衍生干细胞（MDSCs）培养在支架上面，对细胞进行观察测试，表明该修饰水凝胶支架具有支持细胞粘附，迁移和增殖的生物学功能。

 

此处说那么多，就是让你们知道，它一点都不逊色，不用担心它不行，而且多次使用都不会坏。（小编完全没有在开车）

HIF-1α基因突变（mHIF-1α）MDSCs的表征

 

下面咱们直接看体内效果如何（能不能立起来？）

首先，在小鼠实验中，确定该水凝胶支架可以促进血管再生，然后在家兔植入实验中，对修复效果进行了医学成像，以及测量了不同组的海绵体内压（ICP）和平均动脉压（MAP）。结果显示该水凝胶对勃起功能有积极作用，而且修复后的海绵窦也具有非常好的组织弹性和收缩力。

图| ICP/MAP测试

 

单看表征测试好像还不够说服力，那就看下有没有生育能力

研究人员将雌性兔子与每只经历了两个月的海绵体缺损修复的兔子混合。其他对照组，在4个月内都没有或只有一只小兔子的出生。而使用该水凝胶支架组中的四只雌兔在4个月内连续（注意是连续！）生下了小兔子。（看图就知道人家多恩爱了）

图|新生兔的出生时间点和数量

 

小结：

综上所述，该工作是朝着开发生物工程血管化组织库迈出的重要一步。这是首次报道3D打印生物工程支架成功修复缺损，恢复勃起和射精功能，使兔子恢复生殖能力。该海绵状组织修复策略在加速重建窦状结构方面具有突出的价值。除了修复海绵体组织缺损外，这些3D打印支架还具有修复其他血管组织的潜力，如皮肤、鼻组织和心肌组织。

 

参考文献：

An,G., et al. Functional reconstruction of injured corpus cavernosa using3D-printed hydrogel scaffolds seeded with HIF-1α-expressing stem cells. NatCommun 11, 2687（2020）.

https://doi.org/10.1038/s41467-020-16192-x