干细胞来源微环境调节因子的脊髓局部递送：基于外泌体的新型生物载体的体内外研究

Cell-derived biocarriers are drawing more and more attention in studies of drug delivery system due to the natural functions superior to synthetic carriers. MSCs have been reported to function in regulation of microenvironment to promote tissue repair through paracrine activities. MSCs and vascular endothelial cells (VEC) play synergistic roles in revascularization. However, cells always exhibit significant death in lesion site. And the in vivo application of stem cells is still limited in clinical..Exosomes of MSCs are the direct carriers of microenvironment-regulating factors secreted by the cells, among which the vascular endothelial growth factor (VEGF) can promote angiogenesis. This project utilizes exosomes as biocarriers to deliver the microenvironment-regulating factors to spinal cord lesion and increase the VEGF level in exosomes via stimulation of MSCs and VECs. Furthermore, to improve the delivery efficiency and provide extracellular matrix at the same time, a hydrogel scaffold is designed to deliver exosomes to the local lesion site. And the three-dimensional loading of exosomes in the hydrogel will be investigated and optimized. Finally, a novel scaffold-exosome composite vehicle for the functional factors will be established through the study on the delivery of microenvironment-regulating factors by exosomes as well as the loading of exosomes by the scaffold. This research will provide a novel promising therapeutic strategy for spinal cord injury.

在药物传递系统（DDS）研究中，细胞来源的生物载体因具有人工载体难以取代的天然性和功能性而愈发受到关注。间充质干细胞（MSC）分泌的功能因子可调节创伤微环境从而促进组织修复，然而其治疗尚存在体内存活率低和临床应用的争议问题。.本项目创新性地将MSC外泌体作为其微环境调节因子的天然生物载体。其中，血管内皮细胞生长因子（VEGF）可促血管生成，VEGF等内载物的水平还受MSC与血管内皮细胞（VEC）间交流的影响。本项目提出通过对MSC和VEC细胞的调控提高外泌体内VEGF的含量。为提高外泌体利用率并补充伤处外基质，项目构建生物相容性支架并探讨外泌体载入方式，创新性地对外泌体进行脊髓损伤局部递送。通过对外泌体复合携载微环境调节因子以及支架三维递送外泌体两重行为的优化，最终构建新型支架-外泌体三维复合载体，并进行脊髓损伤的治疗研究。本项目将为生物载体作为DDS的研究开拓局部递送和创伤治疗的新篇章。

组织再生，尤其是中枢神经组织损伤的修复，一直以来都是医学界的一大难题。急性创伤性SCI作为严重的中枢神经系统疾病，往往造成患者运动和感觉神经功能障碍，具有较高的发生率与致残率，目前尚无有效临床治疗手段。损伤的组织中发生缺血缺氧微环境是阻碍组织修复的重要因素，而血管再生以及恶劣微环境的调节是进行组织修复治疗的关键，同时也是长期困扰医学界的难点问题。人源间充质干细胞（hMSC）是一种低免疫原性的多潜能性干细胞，可主要通过对微环境的调节促进血管再生与组织修复。作为多潜能性干细胞，hMSC细胞功能的发挥很大程度上依赖于特定微环境的刺激与其对所处微环境的反馈。近年来，越来越多的研究提示了细胞外泌体在细胞与细胞、细胞与微环境间相互交流中的作用。因此，基于以上背景，本项目针对SCI的缺血、缺氧微环境，取微环境中促进hMSC成血管的关键因素，利用细外泌体作为功能性细胞因子的生物载体，在体外对移植前hMSC的成血管功能进行调控与激活，并最终结合生物相容性水凝胶材料进行SCI的移植治疗并阐明了其机制。项目考察证实了hMSC细胞可通过响应缺氧微环境而分泌外泌体实现对缺血微环境的促血管生成调节以及对脊髓组织的修复，进而利用所建立并优化、包含低氧刺激时间仅为15min的低氧预适应（HPC）条件调控人脐静脉血管内皮细胞（HUVEC），获得了携载促血管功能性因子的增强型外泌体HPC-EX，利用HPC-EX刺激hMSC激活其成血管功能，进一步增强hMSC的血管再生与神经修复效果，并结合构建黏附性生物相容性水凝胶支架，最终通过水凝胶-HPC-EX-hMSC移植体系实现对促血管功能性因子的脊髓组织复合递送，高效促进脊髓血管再生与神经组织修复，重建脊髓损伤大鼠神经功能。项目通过研究提出了高效、安全且相对简便的SCI治疗策略，具有较好的临床转化前景，而研究中利用微环境因素对外泌体的调控以及利用外泌体对干细胞特定细胞行为的激活，对基于细胞外泌体的疾病治疗策略研究提供了有价值的参考和启发。