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角膜（Cornea）作為眼部的重要組織之一，不僅承擔著屈光、維持眼部正常結構的功能，對外界的病原體及塵埃顆粒也起到阻擋作用。然而，角膜同時也容易受到諸如細菌或病毒導致的眼部感染、化學或機械性損傷，以及腫瘤和自身免疫性疾病等影響。因角膜而引起的失明已成為全球第四大致盲原因，主要治療方法就是角膜移植。當今全球單側角膜失明人數(shù)約2300萬，雙側角膜失明人數(shù)約490萬，但每年角膜供體供應量只有約10萬。此外，如果受體患者出現(xiàn)角膜血管化或先前排斥史,移植失敗率可高達70%。因此，尋找臨床上可大量獲得并且具有良好的生物相容性人工角膜，是當前亟待解決的問題。? 郭瓊玉與約翰·霍普金斯大學助理教授Anirudha Singh，美國工程院、醫(yī)學院兩院院士Jennifer H. Elisseeff合作，在國際上率先提出并實現(xiàn)了蛋白多糖類似物對膠原蛋白納米纖維結構的有效調控（圖2）。 據(jù)悉，角膜膠原纖維的直徑大小與排列方式對角膜材料的透光率和機械性能起著決定性的作用。該研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)糊精類環(huán)狀低聚糖能夠調節(jié)膠原纖維的玻璃化、排列和超微結構，尤其是β－環(huán)糊精添加到I型膠原蛋白中后產生了與供體角膜相似的纖維層狀結構，從而得以獲得一種具有優(yōu)越透明性和機械韌性的人工角膜植入物，并且在體外和兔角膜部分切除術模型上驗證了該仿生人工角膜的生物相容性和手術性能。這項工作為體外制備具有臨床轉化前景的仿生人工角膜研究奠定了基礎。

三維結構和細胞外基質構成支架材料的微環(huán)境，關系到產品體內 移植后的命運與轉歸。脫細胞組織支架材料很好地保留了組織原有的 三維結構，能滿足正常組織的生理需求，是構建工程組織和器官的更 適宜載體。本技術成果以“脫細胞角膜基質”為基礎，擁有一整套自 主知識產權，已獲得6項國家發(fā)明專利授權和3項PCT優(yōu)先權，申請美 國和歐盟專利各1項，3項國內發(fā)明專利正在進行實質審查；按照企業(yè) 標準（YZB/粵0120-2009）制備的樣品已經通過中國藥品與生物制品 檢定所檢測(檢測報告編號QZ201006553和QZ201101046)，獲得SFDA 的臨床試驗許可。去細胞異種角膜基質經中山大學中山眼科中心倫理 委員會批準（中山眼科中心倫理審查批件編號2011KYNL001），已開 展臨床試驗。

眼角膜作為視覺成像系統(tǒng)中一個至關重要的組織，是眼睛最前面的凸形高度透明物質，可以保護眼內的微結構及組織，并為眼睛提供大部分屈光力。但是角膜損傷、感染及一些先天性因素導致角膜疾病成為全球第二大致盲疾病。同種異體角膜、人工角膜及人的羊膜移植是三類臨床上應用最廣泛的角膜疾病治療方法，但是這些方法都會存在一定的問題或缺陷。因此，利用先進的生物制造工程的方法（Biofabrication）開發(fā)出一種治療性的角膜支架，用于替代受疾病影響的角膜組織或誘導角膜組織自身再生，是至關重要的。目前，角膜組織誘導再生的難點在于角膜基質層，該層組織是角膜的主要組成部分，具有多層正交定向的納米纖維板層組成的復雜結構，利用傳統(tǒng)的生物工程的方法很難真實地模擬基質層的結構。纖維板層之間分布著角膜基質細胞，這種細胞在體外培養(yǎng)及角膜組織損傷時很容易轉化為角膜成纖維細胞及肌成纖維細胞，導致角膜出現(xiàn)瘢痕。因此，制備能夠模擬天然角膜基質結構的支架，同時保持角膜基質細胞的表型，誘導角膜基質的再生，是一個重大的挑戰(zhàn)。針對這一難題，彌勝利和孫偉課題組提出了使用近場靜電紡絲技術制備網(wǎng)格狀的亞微米纖維支架，并和水凝膠技術結合，制備了纖維水凝膠復合支架，用于模擬正交定向的角膜基質板層結構和板層之間起連接作用的糖蛋白。課題組提出了一種最優(yōu)的拓撲結構及化學因子的組合，可以抑制角膜基質細胞的成纖維分化，保持其表型，并最終實現(xiàn)角膜基質的誘導再生。圖1：（a）近場靜電紡絲技術制備的具有不同纖維間距的PECL網(wǎng)格狀亞微米纖維支架在不同放大倍數(shù)下的SEM圖片；（b）接種在100um網(wǎng)格狀纖維支架上的角膜緣基質干細胞進行細胞骨架及細胞核染色，細胞可以在支架上沿著纖維方向生長；（c）5% GelMA水凝膠內封裝的角膜緣基質干細胞進行活死染色圖片；（d）5% GelMA水凝膠內封裝的角膜緣基質干細胞進行細胞骨架及細胞核染色圖片；（e）纖維水凝膠復合支架的SEM圖片。目前近場靜電紡絲技術應用最廣泛的材料是PCL，但是由于PCL是疏水材料，不利于細胞的粘附，因此該研究利用PEG作為引發(fā)劑，合成了PEG和PCL的共聚物PECL，顯著提高了PCL的親水性。課題組首次利用近場靜電紡絲技術成功制備了正交定向的PECL亞微米纖維支架 (圖1a)，角膜緣基質干細胞可以在支架表面黏附并沿著纖維方向鋪展及生長 (圖1b)。研究通過將MA修飾到明膠大分子鏈上合成了GelMA，探究出最優(yōu)的MA修飾度及GelMA濃度，可以使封裝在GelMA水凝膠內的角膜緣基質干細胞保持高的細胞活性(圖1c)并能鋪展開(圖1d)。課題組采用模具灌注的方式制備了纖維水凝膠復合支架 (圖1e)，通過研究不同纖維間距的網(wǎng)格狀支架對纖維水凝膠復合支架理化性能的影響，找出了最優(yōu)的拓撲結構可以使纖維水凝膠在力學性能、透光度和溶脹性方面最接近于天然的角膜組織。研究將角膜緣基質干細胞接種在2D的細胞培養(yǎng)皿、3D的GelMA水凝膠及最優(yōu)的纖維水凝膠復合支架內，并研究角膜緣基質干細胞在含血清及不含血清的培養(yǎng)基中的分化及角膜基質細胞表型的維持。研究表明，這種最優(yōu)的纖維水凝膠的拓撲結構及無血清培養(yǎng)基可以抑制角膜基質細胞向成纖維細胞分化。圖2 大鼠角膜基質內板層移植實驗及評估：（a）5種支架移植后裂隙燈觀察圖片；（b）支架移植后OCT觀察圖片，標尺是1000um；（c）術后不同時間段中央角膜的厚度；（d）術后1個月和3個月免疫熒光染色圖片觀察組織誘導再生情況，標尺是100um；（e）術后1個月和3個月HE染色圖片觀察組織誘導再生情況，標尺是100um。最后，研究使用大鼠進行角膜內的板層移植實驗，分別進行了3D GelMA水凝膠、含化學因子3D GelMA、最優(yōu)纖維水凝膠支架及含化學因子最優(yōu)纖維水凝膠支架的移植，對照組為自體角膜移植（圖2a）。術后通過OCT、免疫熒光染色及HE染色進行3個月的研究觀察（圖2b-e）發(fā)現(xiàn)相比于其他的支架，含化學因子的最優(yōu)纖維水凝膠支架的移植可以最好地實現(xiàn)角膜基質的誘導再生。?論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-14887-9

全球近視病發(fā)病率逐年增加,到2050年全球人口近一半的人口將患近視病。角膜塑形鏡是-種非創(chuàng)傷性的近視治療技術，在全世界得到廣泛應用。僅在中國每年就有超過100萬病人接受角膜塑形鏡治療。在角膜望形鏡配鏡過程中,由于參數(shù)組合眾多,傳統(tǒng)辦法依賴于醫(yī)生經驗,因此配鏡質量難以控制、效率不高、費時耗力。本成果是全球首個基于人工智能算法的角膜塑形配鏡解決方案,實現(xiàn)了擁有完整自主知識產權的算法和芯片,比傳統(tǒng)方法提高效率10倍以上，同時極大保證了配鏡提高質量。本成果與“愛爾眼科集團”聯(lián)合開發(fā),臨床測試的配鏡準確率達90%以上。

全世界有超過1000萬人的眼盲是由角膜病引起，我國大約有500萬角膜疾病患者，其中400萬可以通過同種異體角膜移植手術重見光明，但每年能進行此項手術的患者僅為3000例，人角膜供體數(shù)量遠遠不能滿足需求——新型的角膜替代物。 市場上銷售的AlphaCor人工角膜每個7000美金，本課題活性復合角膜替代物的成本為120美金/個，比AlphaCor便宜近60倍。我們開發(fā)的角膜替代物研制方法簡單易行，容易推廣和產業(yè)化，經濟效益顯著。

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