《Journal of Controlled Release》：Enhanced safety and potency in local angiogenic growth factor delivery via aptamer functionalization of hydrogels
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本研究比较了天然和适配体修饰的明胶水凝胶在VEGF递送中的毒性差异。天然水凝胶植入后引发急性严重出血和动物死亡，而适配体修饰水凝胶通过调控VEGF缓释有效降低毒性，同时保持VEGF的促血管生成效果。
Connie Wen|Ji Ho Park|Neekita R. Jikaria|Mary E. Landmesser|Jazzmyn Dawes|Chien-Wei Wu|Dino Ravnic|Yong Wang
宾夕法尼亚州立大学生物医学工程系，美国宾夕法尼亚州大学公园市16802
摘要
用于药物输送的水凝胶，特别是用于输送高效蛋白质治疗剂的水凝胶，在各种生物医学应用中得到了广泛研究。由于水凝胶可作为局部药物释放的储存库，这种输送方法通常不会导致与全身药物给药相同的严重系统毒性。然而，当前的研究首次表明，植入含有血管内皮生长因子（VEGF）的天然水凝胶会在股血管微穿刺（MP）手术模型中引发急性严重出血和动物死亡。相比之下，当植入含有相同量VEGF的抗VEGF适配体功能化水凝胶时，未观察到任何副作用。此外，适配体在水凝胶中的存在并未影响VEGF促进新血管生长的能力。
引言
由于水凝胶具有高生物相容性和与人体组织的功能相似性，它们已被用于从再生医学[[1], [2], [3]]到癌症治疗[[4], [5], [6], [7]]等多个领域的局部药物输送。与全身或局部推注游离药物相比，水凝胶作为药物储存库的使用可以潜在地延长药物的治疗窗口[[10,11]]。事实上，许多利用水凝胶进行体内药物输送的已发表报告表明，水凝胶可以通过调节细胞和组织功能成功延长药物释放时间并增强治疗效果[[11,12]]。然而，很少有临床前研究报告指出植入载药水凝胶会在手术后立即引发严重的急性毒性、出血或动物死亡。多孔水凝胶在药物输送应用中比传统水凝胶具有明显优势，因为后者缺乏孔结构。它们可以开发成适合输送脆弱生物分子（如基于蛋白质的治疗剂）的现成生物材料。水凝胶的制备方法通常涉及苛刻的条件（例如自由基），这些条件可能会使敏感的生物分子治疗剂变性[[13]]。然而，对于多孔水凝胶而言，水凝胶的制备和药物装载过程可以分开进行[[14]]。这种分离允许在水凝胶合成后装载药物，从而避免有害的处理条件。此外，根据具体治疗需求可以轻松调整药物含量，为应用提供了灵活性和可调性。另外，蛋白质药物在水环境中往往比其干燥形式更容易失去生物活性[[15], [16], [17], [18]]；在使用时将其装载到水凝胶中，而不是在初始制备过程中装载，有助于在更长时间内保持其生物活性。最后，通过水凝胶进行药物输送的主要应用之一是再生医学，其中细胞渗透至关重要。多孔结构的存在通过允许有效的细胞渗透满足了这一要求[[19], [20], [21]]。
在这项研究中，我们使用股血管微穿刺（MP）作为手术模型系统，来检测通过手术部位植入的多孔明胶水凝胶的局部生长因子释放的安全性和有效性。血管微穿刺是一种新兴的显微外科技术，涉及使用超细针刺穿血管[[22], [23], [24]]。这种方法有可能刺激母血管周围的毛细血管网络形成，从而提高显微外科手术的成功率。然而，此前尚未有研究探讨载有血管生成因子的生物材料如何影响微穿刺血管的血管生长。我们合成了天然明胶水凝胶和适配体功能化明胶水凝胶，评估了它们的VEGF装载和释放特性，评估了局部VEGF输送的潜在毒性，并检查了在微穿刺股血管后植入VEGF负载水凝胶的血管生长情况。
材料
明胶甲基丙烯酸酯（Gel-MA，300克，取代度80%）、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDA，分子量750）、荧光素O-丙烯酸酯、D-(+)-葡萄糖溶液（1 M）、戊二醛溶液（50% H2O）和1,1-十八烷基-3,3,3,3-四甲基吲哚花青酸过氯酸盐（DiL）均从Sigma Aldrich购买。四甲基乙二胺（TEMED）和过硫酸铵（APS）从Fisher Scientific购买。重组人VEGF 165和Dulbecco磷酸盐缓冲液也用于实验。
MP手术后VEGF负载PGH的制备和植入
通过冷冻凝胶化（Gel-MA）[25]方法合成了PGH，该过程在零下温度下通过自由基聚合生成多孔结构（图1A）。将VEGF装载到PGH中以诱导血管生成。MP是一种促血管生成的显微外科技术。为了评估局部VEGF释放与MP手术结合是否能够协同促进血管生成（图1A），在大鼠后肢上做了一个切口。使用直径为60 μm的12-0微缝线（图1B）进行操作。讨论
手术是治疗良性和恶性疾病的常见临床干预手段。由于手术涉及对血管化组织的操作，因此在组织操作过程中对微血管的损伤通常是不可避免的。例如，肝脏和大脑具有高度密集的血管网络，在癌症等病理条件下，这些血管常常与病变组织（包括肿瘤）紧密相关[[31], [32], [33]]，从而导致血管损伤
结论
在这项研究中，我们证明了从大孔水凝胶植入物中局部释放VEGF的毒性，表现为多个器官出现出血变化。适配体功能化有效减少了初始的突发释放，并防止了与VEGF毒性相关的严重副作用。此外，适配体的存在实现了持续释放，同时不影响VEGF在水凝胶植入物中诱导血管生长的功能。总体而言，这些发现
作者贡献声明
Connie Wen：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、方法学、研究、数据分析、数据管理。Ji Ho Park：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、方法学、研究、数据分析、数据管理。Neekita R. Jikaria：撰写 – 审稿与编辑、研究。Mary E. Landmesser：撰写 – 审稿与编辑、研究。Jazzmyn Dawes：撰写 – 审稿与编辑、研究。Chien-Wei Wu：方法学
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国立卫生研究院（EB035568）的支持。本工作中的方案使用Biorender软件生成。尸检图像和组织学染色由宾夕法尼亚州立大学Milton S. Hershey医学中心比较医学系的Matthew Lanza提供。
