传统细胞水凝胶封装技术虽可通过免疫隔离实现异基因移植，但块状水凝胶的纳米级分子网络会限制营养物质扩散、细胞活力及迁移能力，从而导致再生疗效受限；微凝胶因具有高表面积体积比、微创递送等优势，更适用于细胞封装；但细胞团块微凝胶在向空间受限的解剖部位递送时会面临严格的尺寸控制挑战。单细胞微凝胶（SCMs）可精准模拟细胞微环境、提升递送效率，兼具单细胞与微凝胶优势，但却受限于规模化生产难题—微流控技术受泊松分布限制，且油相和表面活性剂会损害细胞活力；化学修饰法虽封装效率较高，但存在材料选择性有限、化学条件苛刻易引发细胞毒性、干扰细胞信号通路等问题。因此，亟需开发温和、高封装效率的制备策略。

基于此，广州医科大学唐国胜教授团队、余细勇教授团队联合上海儿童医学中心付炜教授团队在Bioactive Materials（IF：20.3) 杂志发表题为“Bioenzymatic single-cell microencapsulation for enhanced stem Cell therapy”的研究论文。

结论：
本研究建立了基于微生物转谷氨酰胺酶吸附（“生物酶介导交联”）的简单生物酶策略，成功制备出高单细胞封装效率、能维持细胞活力且兼容多种细胞类型与水凝胶材料的单细胞微凝胶（SCMs）。通过心肌梗死（MI）和肺纤维化（PF）两种疾病模型验证，该策略展现出显著的组织修复与再生效果，其水凝胶层可大幅提升病理环境中细胞的滞留率和存活率，有效恢复心脏功能并改善肺纤维化，凸显了在细胞疗法中的临床应用潜力。

图1 生物酶法制备单细胞微凝胶（SCMs）的示意图

研究结果：
1. SCMs的结构特性与制备优势
以明胶为模型材料，通过mTG介导的转酰胺交联反应制备SCMs，经FITC标记mTG验证酶分子成功吸附，zeta电位检测证实细胞表面仍维持净负电荷。SCMs表面较未包裹细胞更光滑，尺寸显著增大，水凝胶层厚度达1.34±0.32μm，凝胶化过程中细胞保持单细胞状态无聚集。激光共聚焦显微镜（CLSM）和流式细胞术定量显示，该策略实现100%的单细胞封装效率，且大幅提升微凝胶生产通量，突破传统方法的效率与规模化瓶颈。

图2 单细胞微凝胶（SCMs）的表征

图3 明胶与III型胶原封装的单细胞微凝胶（SCMs）表征

3. SCMs的体外细胞保护与功能保留
SCMs展现出优异的生物相容性，MSCs、HUVECs、A549等多种细胞封装24h后存活率均>95%，且温和的封装过程保留了细胞骨架完整性及细胞间连接。力学表征显示，SCMs的杨氏模量显著高于未包裹细胞，在流体剪切力作用下，其存活率远高于未包裹组；同时，SCMs可通过物理屏障与明胶自身弱抗氧化性，显著降低过氧化氢（H2O2）诱导的活性氧（ROS）水平。此外，水凝胶层在体内36h 内可完全降解，48h内细胞能突破凝胶层扩散，兼顾保护作用与功能发挥。

图4 单细胞微凝胶（SCMs）的体外细胞行为

4. SCMs在MI模型中的体内滞留与心功能改善
在大鼠MI模型中，通过CM-DiD荧光追踪发现，SCMs组在移植后第3、7、28天的细胞滞留率显著高于未包裹组，且细胞主要定位于心肌组织，心外扩散少。超声心动图监测显示，治疗4周后SCMs组左心室射血分数（LVEF）显著升高，左心室短轴缩短率（LVFS）同步改善；多通道电生理标测结果表明，SCMs组能显著缩短传导时间、提升传导速度，减少离散度，数值接近正常对照组，凸显其在MI治疗中的功能修复优势。

图5 间充质干细胞（MSC）来源单细胞微凝胶（SCMs）在心肌梗死（MI）体内模型中提升细胞滞留率并改善心功能

5. SCMs对MI后心脏形态的保护作用
MI模型4周后，观察心脏梗死区面积，结果显示SCMs组梗死面积显著小于其他组；HE染色证实其心肌组织再生更广泛，心室壁厚度显著增加；马松三色染色显示，SCMs组左心室瘢痕面积减小、成纤维细胞浸润减少，有效减轻纤维化并防止心肌变薄。定量分析进一步验证了这些形态学改善，且治疗后28天对肝、脾、肺、肾等主要器官的组织学评估未发现病理变化，证实了SCMs移植的生物相容性与安全性。

图6 间充质干细胞（MSC）来源单细胞微凝胶（SCMs）在心肌梗死（MI）体内模型中维持心脏形态

6. TNF-α与SCMs协同增强MSCs旁分泌功能TNF-α可浓度依赖性诱导MSCs分泌MMP-13，在100ng/mL浓度、孵育2天时达到分泌峰值，且诱导效果显著优于高浓度组。负载TNF-α的SCMs呈现持续缓慢释放特性，未引发局部炎症反应，且相较于未包裹细胞和单纯SCMs，能显著提升MMP-13的基因表达和蛋白分泌水平。在转化生长因子-β（TGF-β）诱导的成纤维细胞纤维化模型中，SCMs及 TNF-α负载的SCMs可显著下调Col3a1、Ctgf、Acta2等促纤维化基因表达，展现出良好的体外抗纤维化潜力。

图7 肿瘤坏死因子 -α（TNF-α）在体外对间充质干细胞（MSCs）的诱导作用

7. SCMs在PF模型中的抗纤维化治疗效果
在博来霉素诱导的小鼠PF模型中，SCMs尤其是TNF-α负载组，可显著减少纤维化病变面积，恢复肺泡结构至接近健康对照组水平（约 20%）。生化检测显示，TNF-α负载的SCMs 组肺组织羟脯氨酸含量降至接近健康水平；呼吸功能评估显示，该组增强式pause（Penh）指标显著改善，肺功能恢复更佳。qRT-PCR证实，肺组织中Col3a1、Acta2、Ctgf等促纤维化基因表达下调，且主要器官无病理损伤，证实SCMs通过增强MSCs旁分泌活性、促进胶原蛋白降解，实现高效抗纤维化治疗。

图8 单细胞微凝胶（SCMs）促进肺纤维化（PF）的组织重塑

本文应用多通道电生理标测技术对不同组大鼠离体心脏心室组织进行标测，通过对比传导时间、传导速度、离散度等电生理指标，证明MSC单细胞微凝胶（SCMs）能显著逆转心肌梗死后的电生理异常，使相关指标更接近正常水平，有效恢复心室电传导功能。