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导语 / Introduction

将干细胞成功注入体内并正常发挥作用，离不开精巧设计的递送系统。先前已有研究设计了自组装肽（SAP）水凝胶，它由层粘连蛋白衍生的生物活性表位（IKVAV）组成，可促进活体中的神经元分化和整合。

水凝胶这种材料本身具有优越的生物相容性。但是，由于注射部位普遍缺乏血管形成，这些部位的细胞只能被动地依赖氧气扩散到这些部位。这对于代谢活跃的细胞显然是一种很大的限制，而且往往阻碍了组织的修复。

氧气浓度过低不好，但是浓度过高也会产生不利影响。因此，将氧气水平控制在理想范围内，对于神经元祖细胞的存活、增殖和分化至关重要。

在控制好氧气浓度方面，目前业界做过的尝试包括使用含过氧化氢的释氧生物材料、使用释氧佐剂全氟化碳等，但它们都有各自的不足。后来开发的方法包含肌红蛋白，它作为一种天然的“氧气库”，显示出越来越大的潜力。

来自澳大利亚墨尔本大学的科学家及其合作者在《Nature Communications》发表了题为“Hydrogel oxygen reservoirs increase functional integration of neural stem cell grafts by meeting metabolic demands”的研究论文，开发了一种混合了肌红蛋白和肽的水凝胶递送方式，提升了干细胞移植物存活、分化和功能整合。

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论文首页截图

他们的目的就是攻克注入的肌红蛋白易降解而无法保持长期活性的难题。为此，他们设计一种多功能氧响应水凝胶，这种水凝胶能够增强大脑中移植皮质神经干细胞的输送并促进其长期存活和整合。

肌红蛋白具有氧亲和力分布广泛的多种变体，它作为水凝胶中的氧载体，具有丰富的设计灵活性，可以方便地用于构建不同的模型系统。因此，他们首先生成了一系列具有不同生化和生物物理特性的肌红蛋白变体。

低亲和力变体可能在生理条件下快速释放氧气，而高亲和力变体在环境变得更加缺氧之前不会释放结合氧，因此可能会更慢地释放氧气。

在这项研究中检测了不同的肌红蛋白变体

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来源：Wang, Y., et al. 2023

综合考虑后，他们选择了野生型马肌红蛋白作为最终的变体，因为其氧亲和力以及表面电荷较合适，并可以防止由于肌肉组织中肌红蛋白浓度较高而导致的聚集。

为了开发能够加速干细胞治疗的氧载体，他们优化了先前描述的肽水凝胶，使其能够在梗塞损伤内通过肌红蛋白输送氧气。改良后的水凝胶在纳米纤维分子亚结构的表面上以高密度呈现编码层粘连蛋白（Fmoc-DDIKVAV）结合域的功能性表位，它能够促进神经粘附、增殖、分化和可塑性。

添加肌红蛋白后，由流变学、圆二色性（CD）、傅立叶变换红外光谱（FTIR）和透射电子显微镜（TEM）结果证实，水凝胶子结构的生物物理特性发生了微小的变化。

水凝胶材料的生物物理和生物化学特性

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来源：Wang, Y., et al. 2023

那么，这套系统的体内生物相容性如何呢？在给药后28天，Fmoc-DDIKVAV肽水凝胶和用肌红蛋白功能化的水凝胶均未显示出任何不利影响，即紧邻脑内水凝胶给药部位的反应性星形胶质细胞的数量没有增加。

肌红蛋白对宿主的炎症反应没有影响

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来源：Wang, Y., et al. 2023

在确定了肌红蛋白功能化水凝胶具有生物相容性后，他们随后研究了肌红蛋白对移植祖细胞存活和分化的影响。具体而言，他们将绿色荧光蛋白报告基因（GFP+）神经元祖细胞封装在肽水凝胶（含或不含肌红蛋白）中并将其注入大脑。

细胞内的GFP报告基因可以清楚地表征移植细胞及其在宿主脑组织内的神经元过程。他们观察到与细胞对照和无肌红蛋白对照相比，使用掺入了马肌红蛋白水凝胶的移植物体积显着增加。

令人意想不到的是，随着变体的氧亲和力增加，鲸鱼肌红蛋白变体显示出移植物体积增加的趋势。总体而言，肌红蛋白在SAP中的结合提高了移植物存活率和移植物神经支配。

移植核体积及神经支配量

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来源：Wang, Y., et al. 2023

与不含肌红蛋白的水凝胶相比，移植神经元干细胞的存活率升高，其向成熟神经元的分化也显著增强。另外，他们首次证明了将仿生氧气输送纳入功能性水凝胶，对于协同促进干细胞移植的长期存活和整合是非常重要的。

代表性显微照片：细胞、水凝胶和肌红蛋白合并水凝胶组中GFP+移植物的冠状面视图

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来源：Wang, Y., et al. 2023

至此，他们已经观察到了让人满意的细胞存活率和移植物核心体积增加。不过，还应该考虑到在脑损伤的治疗中，替换受损或丢失的相关神经回路或细胞类型更为重要。也就是说，在移植物中产生新的、正确分化的神经元是必不可少的。

那么，肌红蛋白对细胞分化有什么影响呢？为此，他们量化了移植后28天每个移植物中NeuN+细胞的总数（表示为移植物内总细胞的比例NeuN+GFP +/GFP + DAPI）。同时，他们还评估了NeuN+细胞与未分化GFP + DAPI +细胞的比例。

移植物中NeuN+的细胞总数及NeuN+细胞与未分化GFP + DAPI +细胞的比列

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来源：Wang, Y., et al. 2023

结果发现，与仅细胞的对照相比，含有IKVAV表位的水凝胶使得移植物核心内的NeuN数量略有增加。这是由于SAP中IKVAV表位的高可用性和表面密度，比层粘连蛋白本身更有效地促进了神经元粘附、分化和神经祖细胞的轴突生长。

另外，马肌红蛋白使得神经细胞数量显着增加，高亲和力的鲸鱼肌红蛋白变体使得神经元分化显着增加。这表明水凝胶中的肌红蛋白不仅可以增强移植皮质神经干细胞的递送和长期存活，而且还可以使它们的分化偏向神经元，这对于回路修复和重建至关重要。

代表性图像：细胞、水凝胶和肌红蛋白合并水凝胶组中的移植物NeuN + GFP +细胞

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来源：Wang, Y., et al. 2023

综上所述，开发的肌红蛋白肽水凝胶递送系统可以安全、可持续地维持体内氧气向干细胞移植物输送，从而对细胞存活、整合和分化产生积极影响。

虽然这项研究仅在大脑中进行了概念验证，但它也开拓了一种合理且通用的策略，可以用于开发易于注射的细胞支持纳米材料，用于包括细胞移植、基因和药物递送、体外3D疾病模型和器官芯片技术在内的多领域应用。

让我们共同期待水凝胶和干细胞的结合带来更多的新技术吧！

参考资料：

Wang, Y., Zoneff, E.R., Thomas, J.W. et al. Hydrogel oxygen reservoirs increase functional integration of neural stem cell grafts by meeting metabolic demands. Nat Commun 14, 457 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36133-8

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作者：古古古、摩西

审校：咏彤

声明：本文仅作为科普，拒不接受商业用途的转载申请，亦不构成任何建议。

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