華科大羅志強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì) Small: 多功能可降解導(dǎo)電水凝膠調(diào)控再生微環(huán)境促進(jìn)干細(xì)胞治療神經(jīng)組織修復(fù)
周圍神經(jīng)損傷（PNI）是致殘率較高的創(chuàng)傷，可導(dǎo)致患者肢體嚴(yán)重功能障礙。神經(jīng)損傷修復(fù)的"黃金標(biāo)準(zhǔn)"是自體神經(jīng)移植，然而，供源匱乏、宿主神經(jīng)和移植物之間的尺寸不匹配、供體部位的顯著發(fā)病率以及可能的額外并發(fā)癥，限制了自體神經(jīng)移植的使用。細(xì)胞療法，特別是與雪旺細(xì)胞（SCs）結(jié)合的神經(jīng)導(dǎo)管（NGCs），對修復(fù)嚴(yán)重PNI表現(xiàn)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(fù)至關(guān)重要。此外，SCs能夠產(chǎn)生和分泌多種神經(jīng)營養(yǎng)物質(zhì)，引導(dǎo)和促進(jìn)軸突的生長。然而，由于SCs分離對供體神經(jīng)的損傷以及SCs的增殖能力有限，而且神經(jīng)損傷后局部炎癥微環(huán)境，使得植入的細(xì)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(xué)羅志強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)與武漢理工大學(xué)王欣宇教授團(tuán)隊(duì)、燕山大學(xué)柳忠元教授團(tuán)隊(duì)、溫州醫(yī)科大學(xué)李校堃院士團(tuán)隊(duì)合作，構(gòu)建了一種負(fù)載干細(xì)胞的可生物降解、導(dǎo)電和生物活性的GelMA/ECM-SiP@PDA水凝膠填充式復(fù)合神經(jīng)導(dǎo)管（NGC），調(diào)控周圍神經(jīng)再生微環(huán)境。首先使用微成型和電紡技術(shù)構(gòu)建了一種雙層NGC，隨后將負(fù)載MSCs細(xì)胞的GelMA/ECM-SiP@PDA導(dǎo)電水凝膠注入NGCs中。導(dǎo)電的SiP@PDA納米片分散在GelMA/ECM網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)電性，并可以持續(xù)釋放生物活性硅元素。GelMA/ECM-SiP@PDA導(dǎo)電水凝膠在調(diào)控巨噬細(xì)胞極化和改善免疫炎癥微環(huán)境發(fā)揮關(guān)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、VEGF和bFGF的表達(dá)以促進(jìn)再生神經(jīng)組織血管化進(jìn)程。GelMA/ECM-SiP@PDA水凝膠提供的導(dǎo)電微環(huán)境，有助于促進(jìn)MSCs向SCs的分化，進(jìn)而加速再生神經(jīng)髓鞘化進(jìn)程并通過分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子刺激神經(jīng)軸突生長。
導(dǎo)電水凝膠負(fù)載MSCs促行神經(jīng)再生的程序化調(diào)控過程的示意圖
GelMA/ECM水凝膠基質(zhì)中嵌入SiP@PDA納米片能夠顯著提高水凝膠電導(dǎo)率。自體雪旺細(xì)胞（SCs）在外周神經(jīng)長節(jié)段缺損中的自我修復(fù)能力較差，通過干細(xì)胞移植增加SCs在壞死區(qū)域中的數(shù)量對于提高臨床治療效果具有巨大的實(shí)用性。導(dǎo)電GelMA/ECM-SiP@PDA水凝膠為干細(xì)胞提供了三維培養(yǎng)微環(huán)境，含有MSCs的GelMA/ECM-SiP@PDA水凝膠被注入到NGCs中，以構(gòu)建多功能神經(jīng)導(dǎo)管。
為了滿足神經(jīng)組織再生的動態(tài)過程的需求，對復(fù)雜生物學(xué)過程的調(diào)控十分必要。在神經(jīng)損傷后，巨噬細(xì)胞是首批出現(xiàn)在受損部位的免疫細(xì)胞，負(fù)責(zé)通過參與調(diào)節(jié)微環(huán)境來協(xié)調(diào)神經(jīng)再生。GelMA/ECM-SiP@PDA導(dǎo)電水凝膠電學(xué)微環(huán)境以及SiP抗氧化能力的特性，能夠調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的極化、促進(jìn)它們向M2表型轉(zhuǎn)變，條件培養(yǎng)液能增強(qiáng)了PC12細(xì)胞的遷移和神經(jīng)突起的生長。
GelMA/ECM-SiP@PDA導(dǎo)電水凝膠可以促進(jìn)MSCs中GFAP和S100蛋白的表達(dá)，促進(jìn)神經(jīng)生長因子（NGF）和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）的表達(dá)，說明導(dǎo)電水凝膠促進(jìn)了MSCs往雪旺細(xì)胞的分化，從而誘導(dǎo)神經(jīng)營養(yǎng)因子的分泌。
體外研究證實(shí)了GelMA/ECM-SiP@PDA導(dǎo)電水凝膠在介導(dǎo)巨噬細(xì)胞極化、血管生成和促進(jìn)雪旺細(xì)胞分化方面的潛在效應(yīng)。隨后，大鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步驗(yàn)證了GelMA/ECM-SiP@PDA導(dǎo)電水凝膠在外周神經(jīng)修復(fù)中良好的治療效果。
NF200和MBP對神經(jīng)纖維和髓鞘進(jìn)行染色標(biāo)記，結(jié)果發(fā)現(xiàn)GFP陽性的雪旺細(xì)胞包裹著NF200陽性的軸突纖維；此外，在軸突纖維附近的GFP與MBP重疊。表明移植的MSCs已經(jīng)分化為雪旺細(xì)胞，并在體內(nèi)參與髓鞘組成。GelMA/ECM-SiP@PDA導(dǎo)電水凝膠不僅促進(jìn)外源MSCs向SCs的分化，還可以加速神經(jīng)髓鞘化，從而促進(jìn)外周神經(jīng)再生。此外，導(dǎo)電的SiP是可生物降解的，與常見的的導(dǎo)電納米材料相比，如導(dǎo)電聚合物、石墨烯和碳納米管等，具有巨大的醫(yī)學(xué)應(yīng)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(fā)表在《Small》期刊上。華中科技大學(xué)羅志強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)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(xué)基金委和博士后科學(xué)基金會的支持。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202309793
