低氧下骨髓间充质干细胞复合细胞外基质膜片构建3D组织工程皮肤的研究

Human mesenchymal stem cells (BM-MSCs) are being investigated as seeding cells for tissue or organ engineering in a wide range of diseases. A scaffold-free, robust cell sheet composed by aligned BM-MSCs and their extracellular matrix (ECM) offers many interesting, promising opportunities for tissue reconstruction. Previous experiments indicate: 1. BM-MSCs cultured on nanogratings coated with temperature-responsive culture surface will form a confluent, uniform BM-MSCs sheet. Compared to normoxia (20% O2), aligned BM-MSCs cultured in hypoxia (2% O2) will maintained higher differentiation and paracrine capacity; 2. The decellularized, aligned, hypoxia conditioned ECM matrices maintained better elastic modulus and repopulated BM-MSCs will have higher viability, differentiation and paracrine capacity. As for this project, we will fabricate 3D engineered skin substitute by combining BM-MSCs sheet with its decellularized ECM matrices under hypoxia. The evaluation will be conducted in vitro and in vivo. And the relative mechanism will be further discussed.

组织工程皮肤构建的难点是种子细胞和支架的选择。前期实验显示：1、低氧条件下，骨髓间充质干细胞（BM-MSCs）的增殖活性、分化潜能及分泌功能更强。BM-MSCs在包被有温度敏感型水凝胶的纳米蚀刻细胞培养板上可形成排列规则、分布均匀的膜片；2、膜片经脱细胞处理形成具一定机械强度及免疫调节功能的细胞外基质（ECM）膜片,其对复种的BM-MSCs增殖、分化及分泌功能具促进作用。因此，一张于低氧条件下制备的、无人造支架、仅由大量BM-MSCs及其ECM组成的膜片使建立组织工程器官构建新途径成为可能。课题组拟将新型细胞培养模板（刻痕深250nm、宽350nm、间距700nm）引入膜片制备，使接种其上的BM-MSCs按蚀刻痕迹规则排列并形成均质的细胞膜片，与具同样规则结构的ECM膜片结合，构建新型3D组织工程皮肤，通过体内、外实验对其进行评估、优化制备工艺，为皮肤损伤修复提供新的思路与方法。

皮肤是人体最大的器官，具有重要的理化和生物学功能。各种急慢性损伤，如机械性创伤、烧伤、外科取皮、糖尿病足溃疡、压力性溃疡等均会造成皮肤缺损，轻则影响外观，重则引发各种继发损伤甚至导致死亡。因此，如何快速高质量的修复皮肤缺损，减少机体消耗及微生物入侵等并发症的发生，减少患者痛苦，减轻家庭和社会的沉重负担已成为目前临床上非常棘手的难题和研究热点。组织工程皮肤的研发及转化应用有望为上述问题提供解决方案。鉴于干细胞强大的修复能力，并将生物材料构建的可行性纳入考量，本课题组拟将骨髓间充质干细胞（BM-MSCs）作为种子细胞，构建出无人造材料掺入的，仅由细胞及其分泌的ECM组成的组织工程皮肤。.课题组在项目经费的资助下进行了系列研究：① 利用已制成的纳米蚀刻细胞模板(刻痕宽 350nm，深 130nm)在低氧下培养BM-MSCs膜片（HCS），发现其内BM-MSCs仍具有较好的增殖活性、分化潜能，可促进内皮细胞血管化及诱导M1型巨噬细胞向M2型巨噬细胞方向分化；② 成功制备出BM-MSCs源性ECM膜片，该类膜片在脱细胞处理后仍具一定机械强度；③ 通过建立内皮细胞——BM-MSCs膜片&ECM膜片共培养体系，课题组筛选出了最佳的预血管化条件，并于体外构建出具稳定而丰富的血管样结构的膜片；④ 将该优化的预血管化膜片与自体断层皮片进行复合，可快速、高质量的修复全层皮肤缺损创面。课题组的前述研究成果将为皮肤损伤修复提供新的思路与方法，具有转化应用潜能。