生活中骨缺损困扰多？Mater Today Bio：VEGFA-EVs-GelMA水凝胶系统带来骨修复新曙光

来源：100医药网 2025-08-21 10:08

本研究发现，VEGFA信使核糖核酸通过明胶甲基丙烯酰水凝胶包裹的细胞外囊泡递送，能增强骨再生，该系统是促进血管化骨再生的可临床转化策略。

日常生活中，骨折、骨肿瘤切除或先天性等情况造成的骨缺损，会严重损害骨骼的完整性，给患者的结构和功能恢复带来极大挑战。这些缺损不仅带来生理上的负担，还深刻影响患者的心理健康，同时增加个人和医疗系统的社会经济成本。长期住院、多次手术干预以及高昂的医疗费用，使得骨修复领域对创新治疗策略的需求愈发迫切。传统的骨重建方法，如自体移植、异体移植、金属植入物和生物陶瓷支架等，虽然具备一定的临床疗效，但存在诸多明显的缺陷。自体移植作为目前的临床金标准，虽有出色的骨诱导性和骨传导性，却受限于供体来源有限、供区并发症及术后并发症发生率高等问题；异体移植和合成材料虽在一定程度上缓解了部分问题，却面临排斥、生物相容性欠佳和感染风险等局限，往往需要额外的手术且带来持续的经济负担。

近期，发表在Mater Today Bio上的一项研究Study onVEGFAmRNA delivery via GelMA hydrogel-encapsulated extracellular vesicles for enhanced bone regeneration，为解决这些难题带来了新的希望。

该研究将目光投向了mRNA疗法在再生医学中的应用，特别是内皮生长因子A（VEGFA）mRNA。VEGFA mRNA能够通过刺激血管生成，显著增强骨再生，具体表现为促进成骨细胞的募集、分化、矿化，以及上调RUNX2和COL1A1等成骨因子。与传统的基于蛋白质的VEGF递送方式相比，VEGFA mRNA疗法具有瞬时局部表达、免疫原性低、生物生产具有成本效益以及基因翻译动力学可控可预测等优势，从而降低了过度VEGF暴露相关的风险。不过，VEGFA mRNA在生理环境中存在固有不稳定性、向缺损部位的靶向递送效率低以及缺乏控释方法等问题，这些都阻碍了其临床转化。

图 1：利用包裹在可生物降解明胶甲基丙烯酰水凝胶中的细胞外囊泡递送血管内皮生长因子A信使核糖核酸以实现原位骨再生的过程

为了克服这些障碍，研究团队构建了一种混合的细胞外囊泡（EVs）-明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶系统，用于VEGFA mRNA的局部递送，通过精确的时空控制同时增强血管生成和成骨作用。细胞外囊泡是自然分泌的纳米级实体，它们通过转移核酸、蛋白质和脂质参与细胞间通讯，已成为治疗性mRNA递送的高效纳米载体。与合成纳米颗粒相比，EVs具有生物相容性优异、封装稳定、免疫原性低及固有靶向能力等内在优势。而GelMA水凝胶则为生物活性化合物的可控时空释放提供了理想的生物力学框架，其可调节的生物降解性、可调整的机械性能和高度多孔的结构，能够支持细胞增殖、促进营养扩散并实现持续的局部递送。将载有VEGFA mRNA的EVs整合到GelMA水凝胶中，形成的协同递送平台兼具VEGFA mRNA的生物活性、EVs介导的靶向递送以及GelMA支持的控释和结构支撑作用。

图 2：细胞外囊泡介导的血管内皮生长因子A信使核糖核酸递送系统的构建与表征

在体外实验中，VEGFA-EVs-GelMA系统显著增强了成骨前体细胞的迁移和成骨分化，与GelMA对照组相比，ALP、RUNX2和OPN的表达明显上调。活死染色显示大多数细胞保持存活，表明EVs和GelMA水凝胶的细胞毒性极小；CCK-8测定结果显示，各处理组对MC3T3细胞均无显著毒性，且EVs、VEGFA-EVs和VEGFA-EVs-GelMA处理在24和72小时均显著促进细胞增殖，其中VEGFA-EVs-GelMA组效果最为显著，在72小时时，该组的增殖率显著高于PBS对照组，且与EVs和VEGFA-EVs组相比差异更明显。划痕实验结果显示，EVs、GelMA、VEGFA-EVs和VEGFA-EVs-GelMA处理组均显著增强MC3T3细胞向伤口区域的迁移，在48小时时，迁移率分别增加11.6%、16.6%、15%和22.2%，其中VEGFA-EVs-GelMA处理组的迁移能力最强。RT-qPCR结果显示，VEGFA-EVs-GelMA处理组在共培养3、7和14天后，VEGFA表达水平以及ALP、OPG、Runx2和OPN等关键成骨标志物的相对mRNA表达水平均显著高于其他组；Western blot结果也显示该组ALP、Runx2和OPN的表达水平升高；免疫荧光染色显示该组ALP、OPN和VEGF的荧光信号显著更强。第7天的ARS染色显示，VEGFA-EVs-GelMA组的钙化面积显著大于对照组，表明矿化沉积增强；ALP染色结果证实所有组均有成骨细胞存在，而VEGFA-EVs-GelMA组的成骨活性显著增加；第14天，该组MC3T3细胞的矿化基质形成较其他处理组明显增加。此外，Western blot分析显示，与PBS对照组相比，EVs组和VEGFA-EVs组中YAP/TAZ磷酸化均显著增加，且VEGFA-EVs组的骨诱导作用明显强于仅EVs组，表明YAP/TAZ激活在成骨和血管生成中起关键作用。

图 3：血管内皮生长因子A-细胞外囊泡对成骨细胞成骨分化的调控作用

在大鼠颅骨缺损模型中，Micro-CT显示VEGFA-EVs-GelMA组在植入后4周和8周的骨体积/总体积（BV/TV）均显著增加。X射线成像和micro-CT分析显示，VEGFA-EVs-GelMA处理的大鼠骨再生显著，与对照组相比，两个时间点的缺损面积均明显减少，且骨再生程度随时间增加，8周时骨形成和重塑更明显。定量分析显示，VEGFA-EVs-GelMA处理组的BV/TV、骨小梁数量（Tb.N）、骨小梁厚度（Tb.Th）和骨体积（BV）显著更高，而骨小梁分离度（Tb.Sp）显著更低，且8周时这些参数较4周进一步改善。组织学分析中，HE和Masson三色染色显示，与对照组相比，VEGFA-EVs-GelMA处理组的新骨组织大量增殖；免疫荧光测定显示该组的成骨蛋白ALP、OCN、RUNX2和COL1a水平高于其他组。CD31免疫组织化学染色显示，VEGFA-EVs-GelMA组的血管内皮细胞显著存在，表明形成了成骨-血管生成H型血管，这种血管在耦合血管生成和成骨中起关键作用，且该组的血管化程度较其他组显著提高。同时，主要器官的毒性评估显示，载VEGFA的GelMA水凝胶无明显毒性。

图 4：负载血管内皮生长因子A-细胞外囊泡的明胶甲基丙烯酰水凝胶在体内的骨再生能力评估

综上所述，这项研究开发的VEGFA-EVs-GelMA水凝胶系统通过协同促进成骨作用和血管生成，特别是通过H型血管的形成和成骨标志物的上调，展现出优异的骨再生能力。该系统增强了细胞活力、增殖、谱系特异性分化和血管整合，为骨组织工程提供了一种极具前景的生物材料。它有效解决了mRNA治疗转化的主要障碍，为复杂骨缺损的治疗提供了新的思路，有望成为一种可临床转化的策略，推动个性化再生疗法在骨修复领域的发展，为众多受骨缺损困扰的患者带来了康复的新希望。（100yiyao.com）

参考文献：

Li S, Sheng Y, You Y, et al. Study onVEGFAmRNA delivery via GelMA hydrogel-encapsulated extracellular vesicles for enhanced bone regeneration.Mater Today Bio. 2025;34:102144. Published 2025 Jul 28. doi:10.1016/j.mtbio.2025.102144

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