Medicine

Dr. Santiago Correa (Assistant Professor, Biomedical Engineering, Columbia University) , photo courtesy of Correa Lab 哥大科学家将乳制品副产品制成加速组织修复的生物活性水凝胶 在一项连接食品科学与再生医学的突破性研究中，哥伦比亚大学工程学院的研究人员利用一个出乎意料的来源——酸奶，开发出一种愈合凝胶。这种生物活性水凝胶为组织修复带来了新的范式，它利用乳制品中天然存在的细胞外囊泡（extracellular vesicles，EVs），创造出一种既能递送治疗分子，又能为组织再生提供结构支撑的材料。 该研究于7月25日发表在《物质》（Matter）期刊上，由哥伦比亚大学工程学院生物医学工程助理教授圣地亚哥·科雷亚博士（Dr. Santiago Correa）领导。他的团队引入了一种包含从牛奶中提取的细胞外囊泡的水凝胶系统，展示了日常食品的副产品如何能被转化为先进的医疗工具。与那些常难以与活体组织融合的合成水凝胶不同，这种源自酸奶的凝胶在积极促进再生的同时，还能模拟人体的自然环境。 这项突破的关键在于细胞外囊泡的双重功能：它们既是结构性的构建模块，又是能够刺激细胞通讯和愈合的生物信使。在早期的小鼠模型中，这种可注射凝胶仅在一周内就促进了新血管的生长和组织修复，且全过程无需额外的化学添加剂。其生物相容性以及创造抗炎性免疫反应的能力，预示着它在伤口愈合和再生医学领域的广泛应用潜力。 近期，我们有幸与科雷亚博士就这项开创性工作进行了对话。以下是我们关于这项新型愈合方法的科学原理、深远影响及未来前景的访谈记录。 Image source: https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(25)00383-2?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2590238525003832%3Fshowall%3Dtrue 本次访谈内容经过编辑，以确保清晰与简洁。 科学与技术基础 您的团队使用源自酸奶的细胞外囊泡（EVs）作为水凝胶的结构和信号双重组分。与更传统的哺乳动物细胞来源的EVs相比，它们在再生潜力方面最让您感到意外的是什么？我们最初选择酸奶EVs，是为了应对材料开发中的一个主要瓶颈：EVs众所周知难以大规模获取。这一直是EVs疗法领域的重大挑战，而对我们来说更为棘手，因为我们试图制造一种几乎完全由EVs构成的材料。当时，我的一名学生提出可以尝试农业来源的EVs。这类材料在国外已有一定关注，但在美国仍相对罕见。我们认为，这或许是探索如何构建这类水凝胶的一种切实可行的途径。 决定测试酸奶EVs是否具有生物医学潜力是有点冒险。许多研究人员可能会犹豫是否使用这种可能含有酸奶制作过程中细菌成分的物质。但我很好奇，因为益生菌EVs在肠道健康和免疫调节中的作用已有研究。于是我们在小鼠身上进行了一项初步研究。坦白说，我本以为免疫系统会产生负面反应，因为这些EVs不仅来自另一种哺乳动物，还来自微生物。但当我的学生报告说在EVs水凝胶中观察到清晰的血管形成时，那是一个令人震惊的时刻。这表明，机体正在发生的是一个再生过程，而非排斥反应。 如果将这一结果放在更广泛的EVs疗法背景中来看，该领域通常集中于来自干细胞等高度特化的哺乳动物细胞的EVs，而酸奶EVs其实并没有本质区别。比如，干细胞EVs就以促进血管生成和组织愈合而闻名。真正令人兴奋的是，如果酸奶副产品也能达到类似的效果，那么这意味着我们找到了一条通往经济实惠且可规模化疗法的道路，而不必依赖复杂的人类细胞培养。 再生医学的挑战之一是同时实现结构支撑和生物通讯。具有双重角色的EVs是如何弥合这一差距，而这恰恰是合成材料常常失败的地方？许多研究人员曾尝试将EVs整合进材料中，因为单独存在的EVs会很快被组织或循环系统清除。为了发挥作用，它们需要在目标位置被集中并长时间保留。材料能够帮助实现这一点，但如果不借助化学手段，很难让EVs固定下来，而化学固定又可能破坏其活性。 我们的系统与众不同之处在于，EVs能够自然地把我们所使用的聚合物“连接”在一起，从而形成交联。我们对聚合物进行修饰，使其带有疏水性的脂肪链，这类脂肪链不喜欢与水接触。EVs的膜也具有类似的特性，其脂质双分子层会将疏水部分隐藏起来，这就为聚合物的附着提供了天然的结合点。我常常把这一现象比作鸵鸟把头埋进沙子里，脂肪链则“藏”在EVs膜内。大量这样的相互作用可以形成稳固的结构，而且这种作用还是可逆的。在注射器的压力下，它们会断开，注射后又会重新结合，从而使水凝胶既稳定又可以注射。 除了结构上的功能，EVs还携带自身的生物活性载荷，包括蛋白质、脂质、糖和核酸，这些分子能够与细胞进行交流。通过将EVs作为水凝胶框架的一部分，我们能够利用它们的全部复杂性。相比之下，合成系统通常只包含有限的几种信号分子，而且往往是通过化学方法固定在原位。而EVs则天然在其表面展示数以百计的信号蛋白，这是生物学赋予的多功能性，也是合成手段无法真正复制的。 当然，这其中也有不足。我们仍然无法完全确定究竟是哪些成分产生了所观察到的效果。这正是我们接下来的研究重点，即识别出在这些EVs中真正驱动再生的关键特征。 这种凝胶在刺激新血管生长的同时，还能模拟活体组织。从材料科学的角度来看，我们距离设计出不仅能修复，还能主动适应宿主环境的“活性”生物材料还有多远？活性材料是一个极具吸引力的研究方向。在我看来，真正意义上的活性材料应当包含经过工程化改造的细胞，这些细胞能够感知周围环境，并在材料降解时进行修复或替换，就像我们的身体在受伤后能够自我修复一样。我们目前的成果是朝着这一愿景迈出的重要一步，但距离最终目标仍然有很长的路要走。 医学层面的更大启示 许多再生疗法往往依赖化学添加剂来触发愈合，而您的凝胶却无需依靠这些。您是否认为这代表着未来疗法将向不依赖额外化学添加的生物材料方向转变？我并不倾向于使用“不含化学添加”这样的说法，因为在生物学中，一切都是化学。蛋白质、脂质、糖和核酸本质上都是复杂的生物化学物质，而EVs本身就富含这些成分。不同的是，我们并不需要在外部再去额外制造或添加它们。 这带来了两方面的优势。第一是成本问题：生产生长因子或工程化蛋白质往往极其昂贵。第二是复杂性：EVs所携带的信号远比我们能够在合成系统中逐一添加的要多得多。当然，这也意味着可控性较差，但同时也说明我们能够借鉴数百万年的进化成果。细胞早已优化出一种高效而复杂的信号“组合”，而我们正好可以利用这一点。 在您的小鼠模型实验中，免疫系统在塑造组织修复中发挥了作用。这是否预示着未来免疫工程学和生物材料将协同设计，以实现最佳的愈合效果？绝对如此。这是该领域最激动人心的前沿之一。约翰斯·霍普金斯大学的詹妮弗·伊利塞夫博士（Dr. Jennifer Elisseeff）等研究人员已经展示了免疫细胞如何响应再生材料，并识别出能够改善愈合的特定细胞类型。这些见解如今正被广泛采纳，为我们设计能够主动引导免疫系统以实现更佳结果的生物材料提供了强有力的工具。 这种材料的可注射性为临床应用带来了令人振奋的前景。您如何设想它在真实患者中的应用，例如用于伤口愈合、器官修复，甚至是心脏或神经再生等更复杂的情境？我们对这些可能性非常期待，但目前仍然处于早期阶段。可注射性为许多方向打开了大门，从慢性伤口的治疗到器官修复都有潜力。不过在确定合适的路径之前，我们需要更深入地理解驱动这些反应的具体机制。就我个人而言，我尤其感兴趣的是这种方法是否能够帮助改善糖尿病患者的慢性伤口问题。但最终，还是要由时间与科学来决定我们的前进方向。 可及性与可持续性 使用酸奶作为EVs的来源，不仅在科学上充满巧思，也带有一定的象征意义。您是否认为源自食品的生物技术将会成为全球开发经济实惠且易于获取的医疗方法的一条重要途径？我认为答案是肯定的。人们对益生菌衍生产品的治疗潜力正越来越关注。如果这些产品能够展现出与干细胞EVs相媲美的效果，那么它们可能会成为推动基于EVs疗法走向临床转化与广泛应用的一种方式。 未来展望与理念 这个项目融合了纳米材料、高分子化学和农业科学等多方面的专业知识。您是否认为，生物材料的创新未来更多地依赖于这种跨领域的合作，而不是固守在单一学科之内？我坚信如此。这类挑战的复杂性绝不是一个学科可以单独应对。在我们的实验室里，我们始终强调团队协作，确保每一个项目都能汇聚材料学、免疫学以及临床科学等不同领域的专长。 此项目如何影响您对“技术不仅修复身体，也改善生活质量”的理解？对我来说，这个项目让我大开眼界。我过去的大部分工作都集中在癌症和传染病领域，目标是激活免疫系统进行战斗。而在这里，我们发现了再生潜力，这引导我们去了解以前未曾涉足的疾病，如慢性伤口和中风。听到人们在面对这些疾病时的真实困境，是一次深刻而励志的经历。它提醒我，我们最终的目标不仅仅是推动科学进步，更是改善人们的生活品质。 结论 这项利用酸奶来源EVs水凝胶的研究，彰显了意想不到的素材如何能够激发医学的新方向。圣地亚哥·科雷亚团队将经济性、可及性与再生潜力相结合，为未来可能重塑伤口愈合和组织修复的疗法打开了大门。虽然仍处于早期阶段，但这项研究已经展现了跨学科创新的力量，并提醒我们，即便是最寻常的来源，也可能孕育出重要的突破。