海绵体组织是男性外生殖器的重要组成部分，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前提。
多种疾病或外伤可能会导致阴茎发育畸形或缺损，严重影响患者性功能和生殖功能，最终需要重建海绵体组织。然而由于各种解剖学，美学和功能方面的挑战，海绵体缺损的修复一直很难取得满意的效果。
同种异体阴茎移植的方法在临床小范围应用并取得了一些成果，但其在伦理上存在很大争议；脱细胞外基质也存在来源有限、潜在的免疫原性和低孔隙度等缺陷，且其无法恢复阴茎功能。因此，迫切需要开发一种高效的用于海绵状重建的再生疗法。
近日，华南理工大学施雪涛教授、美国俄克拉荷马大学毛传斌教授、广州医科大学附属第三医院安庚医生等人在 Nature Communications 杂志在线发表了题为：Functional reconstruction of injured corpus cavernosa using 3D-printed hydrogel scaffolds seeded with HIF-1α-expressing stem cells 的研究论文。
该研究构建了一种表面负载肝素涂层的3D打印水凝胶支架，并向其中植入了缺氧诱导因子（HIF-1α）突变的肌源性干细胞（MDSCs），以制备生物工程血管化海绵体支架。
通过该组织工程支架修复了兔海绵体缺损，成功地恢复了兔阴茎的勃起和射精功能，使阴茎海绵体受伤的雄兔成功恢复了生殖能力。
在这项研究中，研究者设计了具有多尺度多孔结构的仿生3D打印水凝胶支架，并同时对支架和细胞进行了改进，以减少缺损部位周围的纤维化并修复海绵状组织的血管网络和生理功能。
由于海绵体特殊的结构和生理功能，用于海绵体修复的生物材料必须具有良好的加工性能，适当的机械性能和生物相容性。在之前研究中通常使用传统合成聚合物（例如，聚-L-乳酸（PLA）和聚乙醇酸（PGA））作为海绵体修补材料。由于其高刚性与海绵体组织不匹配，这些支架植入后与周围原始组织的压缩和摩擦期间导致继发性损伤。
迄今为止，尚无证据表明使用传统聚合物支架成功修复了海绵体组织的勃起功能。此研究以甲基丙烯酸透明质酸（HAMA）和甲基丙烯酰胺改性的明胶（GelMA）两种生物相容性成分作原料，通过3D打印技术与紫外线（UV）光交联方法制备了3D打印水凝胶支架。这一3D打印墨水显示出良好的剪切稀化特性和适当的粘度并可以通过温度进行调节，这些特性使该3D打印墨水具有良好的可印刷性。
该3D打印的水凝胶支架的杨氏模量值（40.14±9.03 kPa）接近原生海绵体（〜20 kPa），且能在20次循环压缩测试（实验应力40 kPa，大于男性勃起期间白膜内压力增加范围）后基本保持其原始机械性能与形态。这些结果表明该支架材料与天然海绵体组织具有良好的力学匹配性。
更重要的是，海绵体组织的正常功能（如勃起和射精）依赖于海绵窦内微血管系统的正常循环和血液供应。因此，微血管系统的重建对海绵体功能的恢复起着至关重要的作用。缺氧诱导因子1α（HIF-1α）是一个关键的转录激活剂，用于调节血管生长因子的表达，但是其对常氧十分敏感。研究者设计了HIF-1α突变的肌源性干细胞（MDSCs），不论在缺氧或常氧状态均可显著分泌MDSC中的多种血管生成因子。
此外，研究者还通过肝素与聚L-赖氨酸（PLL）的逐层组装，将肝素沉积到3D打印的水凝胶支架上。肝素可将MDSC产生的血管生成因子吸附并富集在3D打印的水凝胶支架的表面，从而刺激植入部位血管形成。动物实验表明，由水凝胶支架中的HIF-1α和VEGF表达（通过HIF-1α突变的MDSCs诱导）诱导的血管生成有效修复了受伤的海绵体，并在4个月内恢复了雄兔的阴茎勃起和射精功能。
图1. 兔海绵体损伤修复示意图。a.从兔腿部肌肉中提取MDSCs。b.通过慢病毒转染获得HIF-1α突变的MDSC。c.通过3D打印技术制备3D打印的水凝胶支架。d.通过逐层自组装将肝素沉积在3D打印的水凝胶支架的表面上，以获得涂覆有肝素的水凝胶支架。e.将HIF-1α突变的MDSC接种在肝素包裹的水凝胶支架上，并分泌与血管生成相关的因子。f.将支架植入海绵体损伤的家兔中，以原位修复阴茎海绵体并恢复阴茎的勃起和射精功能。
该3D打印水凝胶支架与MDSCs一起植入兔海绵体缺损模型中，显示出良好的生物相容性（细胞存活率超过94%），没有免疫排斥反应，可支持血管组织向内生长，并促进新血管的形成，最终修复了缺损海绵体组织。
经过形态学评估，海绵体内压测试，修复后海绵体组织的弹性和收缩强度证明，该组织工程支架成功修复了海绵体缺损并恢复了阴茎的勃起和射精功能。
研究者还进行了不同支架的对照组交配评估实验。mHIF-1α组有四只雌兔在4个月内连续分娩了小兔子，在无细胞组和阴性对照组中，在4个月内没有小兔子出生，在细胞未定点突变的对比支架组中只有一只雌性兔分娩了小兔子。这一结果表明，mHIF-1α组海绵体损伤的雄兔成功恢复了生殖功能。
图2.不同实验组新生兔的出生时间点和数量。a.交配评估实验步骤的时间表，箭头分别表示mHIF-1α组（红色箭头）和空白支架组（蓝色箭头）中新生兔的出生时间点。b.在实验进行2个月后，兔幼崽在mHIF-1α组的一个笼子中出生。c.交配评估试验后4个月内，每组新生兔的数量。
这一工作系全球首次利用干细胞及3D打印技术成功修复海绵体缺损，使兔子恢复勃起和射精功能，并恢复生殖能力。
这种修复策略对于海绵体重建恢复男性生殖能力具有重要的价值。该工作迈出了开发血管化生物工程支架库的重要一步。除了修复海绵体组织缺损外，这类3D打印支架还具有修复其他含血管组织的潜力（例如皮肤、心肌组织等）。
来源 | BioWorld
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