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華科大羅志強教授團隊 Small: 多功能可降解導電水凝膠調控再生微環境促進干細胞治療神經組織修復
2023-12-29  來源:高分子科技

  周圍神經損傷(PNI是致殘率較高的創傷,可導致患者肢體嚴重功能障礙。神經損傷修復的"黃金標準"是自體神經移植,然而,供源匱乏、宿主神經和移植物之間的尺寸不匹配、供體部位的顯著發病率以及可能的額外并發癥,限制了自體神經移植的使用。細胞療法,特別是與雪旺細胞(SCs)結合的神經導管(NGCs),對修復嚴重PNI表現出巨大的潛力。SCs在愈合部位的招募,尤其是再生軸突的髓鞘化,對PNI功能性修復至關重要。此外,SCs能夠產生和分泌多種神經營養物質,引導和促進軸突的生長。然而,由于SCs分離對供體神經的損傷以及SCs的增殖能力有限,而且神經損傷后局部炎癥微環境,使得植入的細胞在受損組織中存活和分化十分困難。


  基于上述問題,華中科技大學羅志強教授團隊與武漢理工大學王欣宇教授團隊、燕山大學柳忠元教授團隊、溫州醫科大學李校堃院士團隊合作,構建了一種負載干細胞的可生物降解、導電和生物活性的GelMA/ECM-SiP@PDA水凝膠填充式復合神經導管(NGC),調控周圍神經再生微環境。首先使用微成型和電紡技術構建了一種雙層NGC,隨后將負載MSCs細胞的GelMA/ECM-SiP@PDA導電水凝膠注入NGCs中。導電的SiP@PDA納米片分散在GelMA/ECM網絡中,形成的GelMA/ECM-SiP@PDA生物雜化水凝膠具有良好的生物降解性、導電性,并可以持續釋放生物活性硅元素。GelMA/ECM-SiP@PDA導電水凝膠在調控巨噬細胞極化和改善免疫炎癥微環境發揮關鍵作用。此外,釋放的生物活性硅元素作為血管生成刺激劑,激活HIF-1α、VEGFbFGF的表達以促進再生神經組織血管化進程。GelMA/ECM-SiP@PDA水凝膠提供的導電微環境,有助于促進MSCsSCs的分化,進而加速再生神經髓鞘化進程并通過分泌神經營養因子刺激神經軸突生長。 


導電水凝膠負載MSCs行神經再生的程序化調控過程的示意圖



  GelMA/ECM水凝膠基質中嵌入SiP@PDA納米片能夠顯著提高水凝膠電導率。自體雪旺細胞(SCs)在外周神經長節段缺損中的自我修復能力較差,通過干細胞移植增加SCs在壞死區域中的數量對于提高臨床治療效果具有巨大的實用性。導電GelMA/ECM-SiP@PDA水凝膠為干細胞提供了三維培養微環境,含有MSCsGelMA/ECM-SiP@PDA水凝膠被注入到NGCs中,以構建多功能神經導管。 



  為了滿足神經組織再生的動態過程的需求,對復雜生物學過程的調控十分必要。在神經損傷后,巨噬細胞是首批出現在受損部位的免疫細胞,負責通過參與調節微環境來協調神經再生。GelMA/ECM-SiP@PDA導電水凝膠電學微環境以及SiP抗氧化能力的特性,能夠調節巨噬細胞的極化促進它們向M2表型轉變,條件培養液能增強了PC12細胞的遷移和神經突起的生長。 



  GelMA/ECM-SiP@PDA導電水凝膠可以促進MSCsGFAPS100蛋白的表達,促進神經生長因子(NGF)和腦源性神經營養因子(BDNF)的表達,說明導電水凝膠促進了MSCs往雪旺細胞的分化,從而誘導神經營養因子的分泌。 



  體外研究證實了GelMA/ECM-SiP@PDA導電水凝膠在介導巨噬細胞極化、血管生成和促進雪旺細胞分化方面的潛在效應。隨后,大鼠體內實驗也進一步驗證了GelMA/ECM-SiP@PDA導電水凝膠在外周神經修復中良好的治療效果。 



  NF200MBP對神經纖維和髓鞘進行染色標記,結果發現GFP陽性的雪旺細胞包裹著NF200陽性的軸突纖維;此外,在軸突纖維附近的GFPMBP重疊。表明移植的MSCs已經分化為雪旺細胞,并在體內參與髓鞘組成。GelMA/ECM-SiP@PDA導電水凝膠不僅促進外源MSCsSCs的分化,還可以加速神經髓鞘化,從而促進外周神經再生。此外,導電的SiP是可生物降解的,與常見的的導電納米材料相比,如導電聚合物、石墨烯和碳納米管等,具有巨大的醫學應用前景。


  該工作以“Multifunctional Biodegradable Conductive Hydrogel Regulating Microenvironment for Stem Cell Therapy Enhances the Nerve Tissue Repair”為題發表在《Small》期刊上。華中科技大學羅志強教授團隊徐超博士后和吳平博士后為本論文的共同第一作者,該研究得到國家自然科學基金委和博士后科學基金會的支持。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202309793

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