上海大学苏佳灿等团队研究构建了载有pBMP-2-VEGF的生物工程BEV

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ACS Nano：上海大学苏佳灿等团队研究构建了载有pBMP-2-VEGF的生物工程BEV1 m1 B. o, e, Z) e
来源：iNature 2025-04-29 09:42
3 ]9 U( j. {1 A# c, i该研究使用合成生物学技术设计了一种新型工程化BEV系统BEVs-BP。该系统与IL-4在GelMA水凝胶中共封装，得到IL-4/BEVs-BP@GelMA。7 c5 o2 E+ V5 b9 }0 C
骨质疏松症（OP）是一种全身性疾病，其特征是骨密度和质量下降，导致骨骼脆弱和骨质疏松性骨折（OPF）。OPF的常规治疗效果有效，且副作用明显。基于合成生物学的细菌细胞外囊泡（BEV）为OPF治疗提供了一种安全有效的替代方案。$ n0 I( X/ a% S5 p
2025年4月16日，上海大学/上海交通大学苏佳灿、刘晗、徐可、井莹莹共同通讯在ACS Nano在线发表题为“Synthetically Engineered Bacterial Extracellular Vesicles and IL-4-Encapsulated Hydrogels Sequentially Promote Osteoporotic Fracture Repair”的研究论文。该研究构建了载有pBMP-2-VEGF（BEV-BP）的生物工程BEV，并将其与IL-4一起封装在GelMA水凝胶中，得到IL-4/BEVs-BP@GelMA。  o7 Z$ P: y+ _$ K& Y

0 {! e6 ?9 P# U+ W  x' y1 u首先，IL-4通过调节免疫细胞缓解慢性炎症，随后BEVs-BP通过上调BMP-2和VEGF表达来增强成骨和血管形成。体外研究中，IL-4/BEVs-BP@GelMA使M1巨噬细胞向M2表型极化，增强成骨，增加血管生成。此外，BEVs-BP在体内有效促进了骨类器官的成熟和矿化。最后，IL-4/BEVs-BP@GelMA成功加速小鼠骨质疏松性骨折修复。总之，该研究开发了一种易于构建且功能强大的骨修复生物材料IL-4/BEVs-BP@GelMA，为骨质疏松性骨折提供了一种新型治疗策略。
/ h* H1 Z- [. F9 Q' w* j+ C( pOP是一种系统性骨病，其特征是成骨细胞活性降低和破骨细胞活性增加。这种不平衡导致骨质量降低、骨矿物质密度（BMD）降低、骨微结构恶化和骨骼脆性增加，从而增加OPF的风险。在OPF患者中，慢性炎症、骨形成受损和血液供应不足会导致骨折愈合延迟和骨不连风险增加。目前的临床治疗方法包括长期服用抗OP药物和骨移植物。然而，药物的长期使用与药物毒性、严重不良反应和并发症有关，而骨移植受到供体可用性和现有移植物材料兼容性低的限制，这些材料容易感染并且通常无法满足OPF的治疗需求。因此，迫切需要新的治疗策略。( {' k) f6 z- @
许多研究人员开发了生物材料来应对炎症、成骨不良和血液供应不足的挑战，以促进骨折愈合。然而，OPF的愈合过程是连续而复杂的。OPF后，骨折部位形成血肿，免疫细胞（主要是中性粒细胞和巨噬细胞）释放炎症因子，触发炎症反应以清除坏死组织并释放一系列细胞因子，募集成纤维细胞和骨祖细胞。IL-4是一种多功能细胞因子，在促进B细胞增殖、驱动T细胞分化为Th2谱系以及调节免疫耐受和反应中发挥关键作用。最近的研究表明，IL-4促进促炎M1巨噬细胞极化为抗炎M2巨噬细胞，从而在调节炎症过程中发挥关键作用。同时，骨形态发生蛋白（BMP）家族、血管内皮生长因子（VEGF）和成纤维细胞生长因子-2（FGF-2）起着关键作用，共同促进软骨愈伤组织和新生血管的形成，为后续的骨修复和重塑奠定基础。一般来说，大多数生物材料都专注于愈合的单一阶段，而忽略了整个过程中时间协调的重要性。因此，开发能够依次调节OPF愈合各个阶段的新型生物材料至关重要。+ k; ]. ~1 t1 \% q! s8 W

% T: I9 ^" E! M  _图1 构建负载工程BEV的复合水凝胶用于骨质疏松的时间控制修复示意图（摘自ACS Nano）5 `' }& o8 r5 W& I
细胞外囊泡（EV）是纳米级磷脂双层囊泡，富含DNA、RNA和蛋白质等生物活性物质。由于其脱细胞性、低免疫原性和无毒性，在治疗药物和药物递送载体应用方面具有显著优势。然而，工程哺乳动物EV（MEV）的产量低，限制了其应用。相比之下，通过高效的细菌发酵培养和先进的基因编辑技术得到的BEV克服了这些限制。此外，合成生物学的快速发展使BEV在药物递送系统中应用前景广阔。水凝胶由亲水性聚合物网络组成，是与天然组织的细胞外基质非常相似的三维结构。水凝胶具有可调的机械性能和结构完整性，已广泛应用于生物医学领域。' z- Z/ t0 l5 K! i+ Y6 I& p8 r
特别是，水凝胶经常用作骨组织工程中的支架材料，通过支持细胞粘附、增殖和分化，在骨修复和再生中发挥关键作用。此外，在骨缺损的治疗中，水凝胶可作为有效的填充剂，共同递送修复因子、治疗剂和EV，具备缓释、结构支持和填充能力，显著提高治疗效果。重要的是，基于质粒的EV递送策略通常依赖于蛋白质表达和分泌，为设计具有顺序控制能力的材料提供了机会。该团队已经利用BEV递送miRNA、siRNA和BMP-2治疗OP，并提出了基于合成生物学的工程化BEV方法。
) l' s1 B4 f4 w) V2 o! o该研究使用合成生物学技术设计了一种新型工程化BEV系统BEVs-BP。该系统与IL-4在GelMA水凝胶中共封装，得到IL-4/BEVs-BP@GelMA。与现有的工程化BEV不同，BEV-BP通过递送穿梭质粒pBMP-2-VEGF增强宿主细胞中BMP-2和VEGF蛋白的表达，从而促进成骨分化和血管生成，同时避免与外源蛋白相关的潜在风险。由于GelMA水凝胶的缓释特性，IL-4和BEV-BP都会随着时间的推移而缓慢释放。IL-4释放速度较快，作用于骨折的免疫环境以发挥抗炎作用，而BEVs-BP则逐渐释放。在骨折愈合的后期，大量的BEVs-BP到达骨折部位，增强了宿主细胞中的BMP-2和VEGF表达，加速了骨修复。当注射到骨折部位时，IL-4/BEVs-BP@GelMA形成凝胶基质，持续释放治疗药物。这种策略不仅缩短了炎症期，还促进了骨生成和血管生成，加速了OPF的愈合过程。8 E% u. g" x3 n
参考消息：
* |- O: E4 }  ?8 {& rhttps://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c03106
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