海綿狀組織是陰莖的重要組成部分。具有完整海綿竇結(jié)構(gòu)的健康海綿組織是維持陰莖正常勃起功能和泌尿功能的前提。作為末端器官，陰莖海綿體不能通過(guò)再生得到修復(fù)，而人工修復(fù)受傷海綿體往往會(huì)受到解刨學(xué)、美學(xué)、功能方面和倫理道德的挑戰(zhàn)。因此，迫切需要探索一種有效的海綿體重建再生治療方法。
由于海綿竇的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和滿足其生理功能所必需的特殊機(jī)械性能，用于海綿體修復(fù)的生物材料必須具有良好的加工性能，適當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能和生物相容性。另外，海綿體的正常組織功能（例如勃起和射精），取決于海綿竇內(nèi)微血管系統(tǒng)的正常循環(huán)和血液供應(yīng)。因此微血管系統(tǒng)的重建在海綿體功能的恢復(fù)中起著至關(guān)重要的作用。
生物工程血管化海綿體實(shí)現(xiàn)海綿體修復(fù)
基于此，華南理工大學(xué)施雪濤教授和美國(guó)俄克拉荷馬大學(xué)毛傳斌教授構(gòu)建了一種表面有肝素涂層的3D打印水凝膠支架，并向其中植入了缺氧誘導(dǎo)因子（HIF-1α）突變的肌源性干細(xì)胞（MDSCs），以制備生物工程血管化海綿體。將這種水凝膠支架植入海綿體缺損的兔模型中，顯示出良好的生物相容性，無(wú)免疫排斥反應(yīng)，支持血管組織向內(nèi)生長(zhǎng)并促進(jìn)新血管生成以修復(fù)缺陷。對(duì)修復(fù)后海綿體組織的形態(tài)、海綿體內(nèi)壓力、彈性和收縮性的評(píng)價(jià)證明3D打印水凝膠支架不僅成功修復(fù)了陰莖缺損并恢復(fù)了陰莖勃起和射精功能，恢復(fù)了受傷雄兔的生殖能力。
生物工程血管化海綿體的制備
鑒于調(diào)節(jié)血管生長(zhǎng)因子的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄激活因子HIF-1α的表達(dá)對(duì)氧非常敏感，作者通過(guò)慢病毒轉(zhuǎn)染基因突變技術(shù)制備了HIF-1α過(guò)表達(dá)的MDSCs（mHIF-1α MDSCs）。這種mHIF-1α MDSCs不僅在常氧和低氧狀態(tài)下穩(wěn)定且高水平地表達(dá)HIF-1α，而且在HIF-1α的調(diào)節(jié)下明顯提高血管生成相關(guān)因子的表達(dá)，從而促進(jìn)新血管的形成。此外，肝素是一種荷負(fù)電的多糖大分子，對(duì)血管生成因子具有良好的親和力，可以通過(guò)結(jié)合血管生成蛋白，如血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF），提高其穩(wěn)定性，從而加速新生血管的形成。因此，作者首先利用2%甲基丙烯酸酯化透明質(zhì)酸（HAMA）、15%甲基丙烯酰胺改性的明膠（GelMA）和0.5%光引發(fā)劑（12959）作為3D打印墨水，3D打印制備得到具有良好生物相容性和可降解性的3D打印水凝膠支架。然后利用聚賴氨酸（PLL）層層自組裝的方式，將肝素沉積到3D打印的水凝膠支架上。最后將mHIF-1α MDSCs接種到肝素涂層支架上，再將其植入損傷的海綿體中（圖1）。
生物工程血管化海綿體促進(jìn)血管再生
由于3D打印水凝膠支架具有多尺度的多孔結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于原始的陰莖海綿體組織。在植入后作者發(fā)現(xiàn)水凝膠支架材料與自體組織完全相容，無(wú)組織壞死（圖2a）。作者進(jìn)一步通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)載mHIF-1α MDSCs和肝素的3D水凝膠支架中出現(xiàn)了最多的新生血管，并且在材料降解的同時(shí)，新生組織開(kāi)始在整個(gè)支架上生長(zhǎng)，填滿支架的孔隙，從而保持甚至提高了支架的抗壓強(qiáng)度。此外，3D打印水凝膠支架表面的肝素可以特異性結(jié)合血管生成因子，延長(zhǎng)這些生長(zhǎng)因子的有效時(shí)間，促進(jìn)血管再生，增加組織中的血管密度（圖2ef）。
生物工程血管化海綿體實(shí)現(xiàn)生理功能的恢復(fù)
作者通過(guò)對(duì)3D打印水凝膠支架進(jìn)行壓縮試驗(yàn)和循環(huán)壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水凝膠支架的楊氏模量（40.14 ± 9.03 kPa）接近天然海綿體（?20 kPa）。并且在20次循環(huán)壓縮測(cè)試（應(yīng)力高達(dá)40 kPa）后仍保持其原始機(jī)械性能，未出現(xiàn)任何損壞（在男性勃起功能中結(jié)構(gòu)應(yīng)力的升高范圍為5.1-31.5 kPa）。證明陰莖結(jié)構(gòu)應(yīng)力的升高不會(huì)對(duì)植入支架造成損傷。此外，功能評(píng)價(jià)和組織學(xué)形態(tài)表明，HIF-1α變異MDSCs負(fù)載水凝膠支架可以實(shí)現(xiàn)受傷陰莖海綿體的修復(fù)，其腔內(nèi)壓力（ICP）和平均動(dòng)脈壓（MAP）均可類(lèi)比于正常海綿體，并且相對(duì)最大收縮力（MCF）可達(dá)原體海綿體的77%（圖3）。此外，被HIF-1α變異MDSCs負(fù)載水凝膠支架修復(fù)的雄性兔子通過(guò)交配在4個(gè)月內(nèi)成功繁育出下一代（圖4），而對(duì)照組的雄性兔子沒(méi)有或只繁育出一只兔子，進(jìn)一步證實(shí)其生理功能的恢復(fù)（包括勃起功能和射精功能）。
總結(jié)與展望：
3D打印水凝膠支架成功修復(fù)海綿體缺損，恢復(fù)其勃起和射精功能，使模型兔恢復(fù)生殖能力。這種修復(fù)策略對(duì)于海綿體重建恢復(fù)男性生殖能力具有重要的價(jià)值。除了修復(fù)海綿體組織缺損外，這類(lèi)3D打印支架還具有修復(fù)其他含血管組織的潛力（例如皮膚、鼻組織和心肌組織等）。
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