《Biomaterials and Biosystems》：Electrospun Poly-4-Hydroxybuterate Scaffolds Enable Local Zero-order Estradiol Delivery and Promote Collagen Maturation in a Hypoestrogenic Rat Model for Pelvic Organ Prolapse Repair
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本研究針對絕經后低雌激素狀態導致的盆腔器官脫垂（POP）手術高復發率和并發癥風險，開發了一種負載雌二醇（E2）的靜電紡絲聚-4-羥基丁酸酯（P4HB）可降解支架。研究通過體外模擬和去勢大鼠皮下植入模型證實，該支架能實現長達110天的零級緩釋E2，并在不引發全身性激素效應的前提下，顯著提高植入部位膠原I/III型比例，促進組織成熟與重塑。這項工作為POP的局部激素治療與生物材料支撐一體化提供了創新性方案。
想象一下，支撐我們腹腔器官的“吊床”——盆底肌肉和結締組織，隨著年齡增長和激素水平變化，特別是女性絕經后雌激素（E2）的急劇減少，會變得松弛無力，從而導致盆腔器官如膀胱、子宮等下垂至陰道腔，這就是令人困擾的盆腔器官脫垂（POP）。全球約四分之一的女性受此影響，它不僅帶來排尿、排便功能障礙和性交痛，生活質量嚴重下降，其手術干預需求也構成了巨大的醫療負擔。
傳統的手術修復面臨兩大“瓶頸”：一是高復發率，尤其是在組織愈合能力本就受損的絕經后女性中；二是并發癥風險，長期使用的不可吸收聚丙烯（PP）補片可能導致侵蝕、慢性疼痛等嚴重問題，甚至引發了監管機構的警告。那么，有沒有一種既能提供臨時機械支撐，又能主動促進自身組織再生修復，還不會留下永久性異物隱患的“智能”植入材料呢？
發表在《Biomaterials and Biosystems》上的一項研究給出了一種創新答案。一個由Anel Oosthuysen、Carmen Weitsz、Jan‐Paul WR Roovers、Jaco Theron和Zeliha Guler組成的研究團隊，巧妙地結合了生物材料工程與藥物遞送技術。他們選擇了一種可吸收材料——聚-4-羥基丁酸酯（P4HB），這種材料在體內可緩慢降解，其降解速率與組織愈合、重塑的節奏更匹配。研究人員的核心創意在于，將盆底組織修復所必需的雌激素（E2）直接“編織”進這種材料中，利用靜電紡絲（ES）技術，制造出模擬天然細胞外基質（ECM）結構的納米纖維支架。這樣一來，支架植入后不僅能像腳手架一樣支撐組織，還能在長達數周甚至數月的時間里，在手術部位持續、穩定地釋放E2，精準地改善局部低雌激素的“微環境”，從而“喚醒”并增強組織的自我修復能力。
為了回答“這種負載E2的支架是否可行、有效且安全”的問題，研究人員開展了一系列系統的體外和體內研究。他們首先制備了含有不同濃度E2（0%， 1%， 2%， 5%）的靜電紡絲P4HB支架，并對其形貌、力學性能、降解行為及藥物釋放動力學進行了全面表征。隨后，他們在一個關鍵的動物模型——去勢（OVX）雌性大鼠中進行了驗證。這個模型通過手術摘除卵巢，模擬了絕經后女性的低雌激素狀態。研究人員將不含藥和含2% E2的支架植入大鼠皮下，在植入兩周后，通過組織學、免疫組化和液質聯用（LC-MS）等技術，深入評估了支架的宿主反應、組織整合、炎癥水平、血管生成以及關鍵的膠原蛋白代謝情況。
本研究應用了幾個關鍵的技術方法。首先是靜電紡絲技術，用于制備模擬天然細胞外基質的P4HB納米纖維支架。其次是體外藥物釋放動力學研究，通過紫外光譜法監測E2的釋放曲線。第三是動物模型建立，使用去勢（OVX）雌性大鼠模擬絕經后低雌激素狀態。第四是組織形態學與免疫組化分析，包括H&E、Masson's trichrome和Picrosirius red染色，以評估炎癥、膠原沉積及分型。第五是血清學分析，采用液相色譜-串聯質譜法（LC-MS/MS）檢測系統E2水平，確保局部給藥的安全性。
研究結果
3.1 支架的形態與微結構
掃描電鏡（SEM）顯示，無論是否負載E2，靜電紡絲P4HB支架均呈現均勻、多孔、無缺陷的纖維結構，纖維隨機取向，成功模擬了天然ECM。加入E2后，纖維直徑略有增加，孔隙率隨E2濃度增加而輕微下降，但所有支架的孔隙率均高于73%，且孔徑在11-17微米之間，適合細胞遷移和組織長入。
3.2 支架的流體動力學性質
P4HB材料本身具有疏水性，靜電紡絲形成的粗糙表面使其水接觸角高達136.7±2.2°，呈超疏水狀態。負載E2后，接觸角略有降低，但仍保持高度疏水。支架的吸水量主要來自孔隙儲水，負載E2的支架因孔隙率略低而吸水量稍減。
3.3 支架的體外降解
在生理pH（7.4）的PBS中，P4HB支架降解極為緩慢，92周后質量仍剩余70%以上，E2的加入不影響其降解速率。在強酸或強堿的加速降解條件下，支架會更快地發生纖維斷裂和質量損失。SEM圖像顯示，長期降解后纖維發生斷裂，但在體內2周的短時間研究中，降解可忽略不計。
3.4 力學性能
未降解的靜電紡絲P4HB支架的極限抗拉強度（UTS）約為5.8±1.5 MPa，斷裂伸長率（Emax）高達326.8%，與天然陰道組織的力學范圍（0.27–6.4 MPa）相匹配。加入E2起到了增塑劑作用，使支架模量（剛度）降低約一半，變得更柔韌，這更有利于匹配盆底組織的生理力學環境。所有支架的縫線保留強度（SRS）均遠高于臨床建議的最低值（2.0 N），滿足手術固定要求。
3.5 E2從支架中的釋放動力學
這是本研究的一大亮點。負載E2的支架表現出理想的零級釋放動力學，即藥物以恒定速率釋放，沒有初始的“突釋”現象。1%、2%和5% E2負載的支架，其線性釋放期分別可持續19、39和110天，大部分藥物在此期間平緩釋放。這為實現長期、穩定的局部給藥奠定了基礎。
3.6 體內宿主反應與傷口愈合
在去勢大鼠皮下植入模型中，兩種支架均表現出優異的生物相容性，無感染或暴露跡象。LC-MS/MS分析證實，盡管支架局部持續釋放E2，但大鼠血清中的E2水平始終低于檢測下限（5 pmol/l），證明E2的效應嚴格局限于植入部位，無系統性暴露風險。組織學分析顯示，兩組支架引發的炎癥反應（異物巨細胞、多形核白細胞浸潤）和血管生成水平相似，均為輕度至中度。最關鍵的發現在于膠原代謝。通過Picrosirius red染色在偏振光下區分I型（紅色，成熟）和III型（綠色，幼稚）膠原，研究發現，負載E2的支架（ES P4HB-E2）組，其植入部位周圍的膠原I/III型比例顯著高于不含藥的對照組（11.5±6.3 vs 7.3±3.3, p=0.047）。這表明，局部釋放的E2有效促進了膠原纖維的成熟與重塑，這對于形成更強韌、更持久的修復組織至關重要。
研究結論與意義
本研究成功開發并驗證了一種集機械支撐與局部藥物遞送于一體的創新性治療方案。其核心結論是：基于靜電紡絲技術制備的負載雌二醇（E2）的聚-4-羥基丁酸酯（P4HB）支架，能夠實現符合零級動力學的長期、平穩藥物釋放；在模擬絕經后狀態的動物模型中，該支架能將E2的效應嚴格限定于植入部位，在避免全身性副作用的同時，顯著改善局部的組織愈合微環境。
其重要意義體現在多個層面。在臨床問題層面，它直指當前POP手術治療中的痛點——復發率高與永久性植入物并發癥，提供了一種“臨時支撐、主動修復、最終吸收”的替代策略。在治療策略層面，它創新性地將激素替代療法與組織工程支架相結合，通過局部給藥精準糾正手術部位的激素缺陷，避免了全身用藥的風險。在組織再生層面，研究證實局部E2釋放能特異性促進膠原I型沉積，優化膠原I/III型比例，這是組織成熟度和力學強度的關鍵標志，為降低術后復發率提供了生物學基礎。在材料學層面，P4HB材料的慢降解特性與組織重塑周期相匹配，而靜電紡絲結構則最大化了細胞與材料的相互作用，兩者結合展現了優異的協同效應。
盡管該研究目前僅在短期動物模型中得到驗證，且從皮下模型到盆底功能環境的轉化仍需進一步探索，但它無疑為POP的修復治療開辟了一條極具前景的新路徑。這項研究展示了下一代生物材料的設計思路：它們不僅是“被動”的填充物或支撐物，更是能夠主動調控局部微環境、引導和促進機體自身修復過程的“智能”治療平臺。
