Adv Sci | 同济大学左克强/谢晓云等合作制备组织穿透超声触发水凝胶，用于微血管网络重建

微血管网络是一个复杂的循环系统，可有效地将气体、营养物质和代谢物输送到细胞并从细胞中运输出来，在受伤组织中起着关键作用。不完整的血管内皮生长因子（VEGF）信号传导可能会导致器官组织老化和损伤。相反，增强VEGF信号传导可以预防与年龄相关的毛细血管损伤，改善各种损伤组织的灌注和功能，最终延长寿命。

此外，有学者发现损伤组织中锌指E-box结合同源盒蛋白1（ZEB1）缺失减少了启动子上的组蛋白乙酰化，从而抑制血管生成信号通路，减少损伤组织中微血管形成。该研究进一步揭示了微血管网络的产生与损伤组织发育之间的密切关系。研究表明，骨质疏松症会导致严重的骨损伤，包括外观结构破坏、微观结构改变和微血管网络活性降低。微血管网络与损伤组织骨细胞代谢失衡和骨发育异常密切相关。此外，微血管网络重建对于修复各种损伤组织至关重要，能够确保再生和扩张过程中充足的血液供应，但仍难以实现微血管网络的有效重建。

因此，为有效解决受损组织微血管网络重建的技术难题，临床治疗中常用血管蒂组织移植来修复受损组织。健康的微血管组织移植可以使毛细血管穿透受损组织，从而提高原位修复的成功率。部分供体组织难以移植，或移植后微血管网络不发达、组织通透性差，使临床技术受到极大限制。

此外，还有许多分子生物学研究致力于重建受伤组织中的微血管网络。微血管网络系统重建的关键要素在于内皮细胞的活化，研究发现，血管内皮生长因子、血小板衍生生长因子-AA、血小板衍生生长因子-BB等血管生成因子可激活内皮细胞，进一步促进血管重建。然而，这些血管活性因子的活性难以维持，更难以有效穿透损伤组织，持续促进微血管网络的原位重建。机制研究表明，ZEB1基因过表达可以激活ZEB1/Notch信号通路，促进血管再生，但基因治疗需要频繁的全身注射，难以缓慢释放并有效穿透局部损伤组织以实现微血管网络重建。因此，现有的临床损伤组织微血管网络重建仍存在组织通透性差的问题，尚未取得有效突破。

AS 超声触发的组织渗透性水凝胶示意图（Credit: Advanced Science）

近年来，组织工程技术已应用于微血管网络重建，主要目标是构建一个再生微血管网络，能够有效穿透受伤组织，促进微血管原位再生并与天然血管契合。近年来，能够利用生物材料模仿血管的细胞外基质，通过血管细胞与细胞外基质之间的相互作用重塑血管网络的结构和功能。尽管生物材料对大血管的再生有很强的促进作用，但在微观层面的组织渗透和血管网络重建方面仍面临许多挑战。

此外，3D打印支架或水凝胶结合血管细胞、生长因子和基因药物，能够为血管生长提供适当的生物、物理和结构基础，确保药物缓慢、稳定释放，促进微血管重建。但该方法也存在生物材料组织通透性差的局限性，只能植入损伤组织区域。近年来，超声技术与功能生物材料的融合在剂量、空间和时间等方面有望实现精确治疗。超声波技术的应用可以促进液体在组织中的有效渗透，触发固态水凝胶的原位形成，有效递送药物。截至目前，利用超声触发组织内生物材料形成和促进微血管网络原位再生的研究尚需进一步发展，以实现受损组织中微血管网络的有效重建。

局部组织基因工程技术为探索基因功能和微血管网络再生的潜力提供了有效方法。然而，有效触发技术和递送载体的缺乏阻碍了组织内微血管网络的重建。该研究中，水凝胶前体溶液可以有效地穿透受损组织区域，超声触发脂质体释放凝血酶以水解纤维蛋白原。随后，以钙离子和谷氨酰胺转氨酶为催化剂，原位触发固体纤维蛋白水凝胶网络形成，突破受损组织的穿透阻抗瓶颈，显著促进组织内微血管网络的形成。首先，将纤维蛋白原溶液的混合物注射到受伤的组织区域，使其完全穿透受伤组织及其周围的微血管网络。随后，超声触发脂质体释放钙离子和凝血酶，钙离子改变了转谷氨酰胺酶的能量配位，导致其构象发生变化，激活转谷氨酰胺酶。

凝血酶催化纤维蛋白原水解为纤维蛋白单体，纤维蛋白单体通过转酰胺反应被活化的谷氨酰胺转氨酶催化交联，使得纤维蛋白分子的赖氨酸和谷氨酰胺侧链残基共价交联，同时与携带甘油醛-3-磷酸脱氢酶（PI3K）基因的脂质体结合，在受损组织区域原位形成纤维蛋白网络。最终，构建了一种超声触发的原位交联水凝胶渗透受损组织，通过基因工程局部激活PI3K-AKT通路，促进受损组织区域微血管网络的重建。体外研究中，将水凝胶前体溶液加入人工骨中，超声连续触发15 s内骨组织的有效穿透，30 s内快速形成水凝胶。值得注意的是，该水凝胶在体外也显示出良好的促血管形成功能。体内研究表明，该系统可有效穿透胫骨，连续8周促进胫骨内微血管网络。因此，该团队构建的组织渗透超声触发水凝胶可以有效解决损伤组织穿透阻抗问题，在微血管网络的重建中潜力巨大。