脊髓损伤极易造成损伤节段以下严重的神经功能障碍,具有致残率高和恢复难的特点,目前临床疗效有限,已成为世界性医学难题。脊髓损伤触发“炎症风暴”,导致瘢痕组织包裹的囊性空洞,严重阻碍轴突再生。近年研究发现生物材料在脊髓损伤修复中扮演着非常重要的角色,能够重建损伤部位微环境,促进轴突再生和功能恢复,为脊髓损伤修复带来新的希望。但是目前报道的生物材料支架往往与脊髓组织适配性不佳,导致修复效果欠佳。
针对该关键难题,中山大学附属第三医院脊柱外科戎利民教授/何留民研究员团队近期开发了一系列基于自组装多肽RADA16-X(X为功能氨基酸序列如IKVAV、RGD和YIGSR等)的生物适配性多功能水凝胶,在脊髓损伤部位重塑微环境稳态、支持神经再生、促进功能恢复。(1)功能自组装多肽纳米水凝胶缓释短肽药物,精准干预硫酸软骨素蛋白多糖(CSPG)重塑微环境,促进脊髓损伤修复(Small 2022,工程技术1区,IF: 13.3)
CSPG是胶质瘢痕组织的主要成分,抑制轴突再生,但也具有隔离损伤区的积极作用。既往研究采用软骨素酶ABC(ChABC)降解CSPG促进神经再生,获得一定的功能恢复,但“破而除”策略存在争议。该团队利用功能多肽RADA16-IKVAV/-RGD纳米纤维水凝胶缓释短肽ISP/ILP,拮抗CSPG抑制轴突生长受体能够有效增强轴突再生潜力,同时诱导内源神经干细胞向损伤区域募集并分化为神经元,与再生轴突建立神经联系,促进大鼠行为学改善和电生理功能恢复。该团队研究发现,保留CSPG结构能够调控炎症细胞浸润,诱导其向抗炎型极化并高表达抗炎因子。此外,与空白对照组的致密瘢痕不同,治疗组细胞外基质主要成分collagen、laminin、fibronectin结构疏松,再生轴突穿过胶质-纤维瘢痕长入损伤区。该研究为脊髓损伤后精准干预CSPG提供了新思路,同时也为纤维瘢痕干预及机制探索提供了理论依据。
图1 F-SAP缓释ISP/ILP调控脊髓损伤后微环境促进神经再生示意图https://doi.org/10.1002/smll.202205012(2)多肽-丝素蛋白协同组装构建杂化纳米纤维水凝胶,重建神经再生微环境,促进脊髓损伤再生修复(Sci Adv 2023,综合1区,IF: 13.6)
自组装多肽大多通过非共价键作用形成水凝胶,力学强度和稳定性较弱,不利于神经再生。为提高自组装多肽RADA16-X水凝胶力学性能,该团队利用RADA16-IKVAV(F-SAP)与丝素蛋白(SF)构建复合水凝胶。与简单复合不同,SF纳米囊泡在静电吸引和渗透压差作用下向F-SAP纳米纤维网络迁移,发生构象变化再组装成纳米纤维,形成具有双网络的F-SAP/SF杂化水凝胶。控制F-SAP与SF作用时间可调控杂化水凝胶力学强度和活性因子释放速率。大鼠脊髓全横断损伤后,F-SAP/SF水凝胶联合NT-3能够较好地填充损处区域,调控巨噬细胞/小胶质细胞向抗炎型极化并分泌抗炎因子,改善病灶炎症微环境。术后8周皮质脊髓束神经纤维穿越损伤区域生长,再生神经包括了运动相关的5-羟色胺(5-HT)神经纤维以及与感觉相关的降钙素基因相关肽(CGRP)神经纤维。同时,再生神经轴突外包裹髓鞘。电生理检测和后肢运动功能评分显示F-SAP/SF显著促进功能恢复。该研究团队提出基于分子间协同作用构建杂化水凝胶,为开发神经修复材料提供了一个很有前途的策略。
图 功能性自组装短肽(F-SAP)与丝素蛋白(SF)协同组装构建复合纳米纤维水凝胶https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg0234(3)多肽基多功能水凝胶融合脊髓组织,促进脊髓损伤修复(Bioact Mater 2021,材料科学1区,IF:18.9;Adv Mater 2023,材料科学1区,IF: 29.4)
生物材料在体内处于动态力学微环境,其结构完整性以及与脊髓组织的融合极易受到损害,不利于神经再生。针对这个瓶颈性难题,该团队构建了基于自组装多肽的多功能水凝胶。首先利用芴甲氧羰基-甘氨酸(Fmoc-G)接枝改性壳聚糖(FC),联合功能多肽Fmoc-RRIKVAV(FI)制备了一类复合水凝胶FC/FI。芴甲氧羰基大量苯环的“π-π堆积”充当物理交联点,其动态可逆作用使得FC/FI水凝胶具有优异的可注射性及自修复性,并对姜黄素(Cur)具有良好的缓释作用。体外细胞研究表明,缓释Cur的水凝胶FC/FI-Cur促进背根神经节轴突生长和雪旺细胞迁移,并获得髓鞘结构。FC/FI-Cur水凝胶能够在大鼠脊髓损伤部位重构细胞外基质,并通过调节炎症细胞极化表型调控炎症反应。雪旺细胞从神经根中募集到FC/FI-Cur水凝胶植入物中,参与再生轴突的髓鞘形成,促进功能恢复。
图 FC/FI可注射自修复水凝胶缓释姜黄素修复脊髓损伤示意图https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.05.022在此基础上,该团队利用多巴接枝改性壳聚糖(DA-g-CS,CD),与功能多肽HGF-RADA 16-IKVAV(HRI)复合,制备双重交联的杂化水凝胶CD/HRI,包括通过CD中邻苯二酚氧化作用形成的共价键和通过CD和HRI分子中芳香环之间的π-π堆积。这些化学和物理作用赋予CD/HRI良好的可注射、自修复和组织粘附等多种功能,能够负载并缓慢释放NT3。
图 CD/HRI-NT3可注射、自修复和粘附性能水凝胶修复脊髓损伤示意图CD/HRI-NT3溶液注射至大鼠脊髓全横断损伤处后形成水凝胶,与宿主脊髓粘结并能够保持结构完整。术后2周,炎症细胞非特异浸润被抑制,向抗炎表型极化,微环境免疫稳态获得恢复。CD/HRI-NT3水凝胶促进感觉轴突和运动轴突再生,且再生神经元与表达兴奋性递质标志物泡状谷氨酸转运体(Glut)和抑制性递质标志物泡状GABA(v-氨基丁酸)转运体(VGAT)的末端密切相关。此外,CD/HRI-NT3水凝胶对脊髓损伤大鼠泌尿系统具有保护作用,能有效修复膀胱损伤。研究结果凸显新型复合水凝胶在脊髓损伤再生修复中的巨大潜力,未来有望进一步应用于临床研究。https://doi.org/10.1002/adma.202304896中山大学附属第三医院脊柱外科戎利民教授/何留民研究员团队的系列研究显示,功能多肽基纳米纤维水凝胶具有促进神经再生的巨大潜力,修复脊髓损伤的同时,也可应用于其他类型的组织再生,助力更多疾病的治疗发展。该系列研究获得了国家自然科学基金(32271417, 31870964, 32071354)、广州市民生科技攻关计划(201903010095)、广东省科技创新战略专项粤港科技创新联合资助项目(2021A0505110007)、广东省自然科学基金-杰出青年项目(2022B1515020083)、广州市重点研发计划项目(202206060002)和 广东省重点领域研发计划项目(2019B020236002)等基金的资助。苏州纳米所张智军研究员团队 CEJ:负载神经干细胞3D打印导电神经支架显著改善脊髓损伤修复效果
山一大一附院辛涛教授、山东大学刘宏教授《Nano Lett.》:在脊髓损伤修复研究领域取得新进展
清华王秀梅教授/王贵怀教授/郭华教授合作:纤维蛋白纳米纤维水凝胶诱导的白质再生促进犬类T12脊髓损伤后运动功能的恢复
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