原創(chuàng) Cell Press CellPress細(xì)胞科學(xué) 

物質(zhì)科學(xué)

Physical science

2023年12月1日，蘇州大學(xué)程亮教授團(tuán)隊(duì)、張克勤教授團(tuán)隊(duì)以及蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院周曉中主任團(tuán)隊(duì)共同合作，在Cell Press細(xì)胞出版社旗下期刊Matter上發(fā)表了最新研究成果，題為“Self-assembled silk fibroin injectable hydrogels based on layered double hydroxides for spinal cord injury repair”。該研究報(bào)道了一種新型蠶絲蛋白基多功能生物活性水凝膠協(xié)同促進(jìn)脊髓損傷后神經(jīng)組織修復(fù)和再生的研究工作。該研究采用超薄MgMn-LDHs水滑石抗氧化納米材料與蠶絲蛋白通過氫鍵誘導(dǎo)蠶絲蛋白形成β-sheet結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)水凝膠的形成。該水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的協(xié)同治療效果，如改善氧化應(yīng)激及乏氧微環(huán)境、減輕炎癥、以及調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)金屬離子濃度，以促進(jìn)神經(jīng)元的生長和分化等，并顯著改善脊髓損傷小鼠的運(yùn)動(dòng)功能。研究結(jié)果拓展了新型蠶絲蛋白生物活性水凝膠材料在脊髓損傷修復(fù)中的應(yīng)用。

脊髓損傷具有較高的發(fā)病率和致殘率，是最嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題之一。在脊髓損傷的過程中，初級(jí)創(chuàng)傷會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)并產(chǎn)生大量的活性氧（ROS），對(duì)中心及周圍神經(jīng)組織持續(xù)造成嚴(yán)重的損害。為此，研究人員致力于開發(fā)基于抗氧化劑的治療策略，旨在清除活性氧并緩解炎癥。然而，這些策略一直未能取得理想的治療效果，主要原因是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自發(fā)再生能力有限，包括有限的軸突再生和髓鞘再生。

脊髓損傷患者常常表現(xiàn)為鎂離子（Mg2+）缺乏，繼而導(dǎo)致P物質(zhì)（一種速激蛋白）的釋放。這種物質(zhì)最終會(huì)引發(fā)神經(jīng)細(xì)胞水腫，甚至死亡。相反，適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充Mg2+可以有效促進(jìn)神經(jīng)修復(fù)并防止中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后的細(xì)胞死亡。此外，由于受損的血管阻礙了向脊髓損傷部位的氧氣輸送，繼而造成的乏氧環(huán)境也對(duì)神經(jīng)再生造成了極大的限制。將活性氧等有害的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有益的氧氣為脊髓損傷治療提供了一條有前景的途徑。值得注意的是，一些生物活性金屬離子，如錳離子能夠在不同價(jià)態(tài)之間進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移，因而表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化性能，可以持續(xù)清除活性氧。特別是三價(jià)錳離子（Mn3+）可以催化一些活性氧，如過氧化氫、超氧根陰離子等生成氧氣。因此，基于Mg2+/Mn3+的生物活性材料在協(xié)同促進(jìn)神經(jīng)組織修復(fù)和再生方面具有很大的前景。

基于上述思路，蘇州大學(xué)程亮教授團(tuán)隊(duì)、張克勤教授團(tuán)隊(duì)和蘇大附二院周曉中教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)建了一種基于生物活性功能納米材料的可注射水凝膠。超薄的MgMn-LDHs納米片層與蠶絲蛋白以氫鍵相互作用的方式結(jié)合，通過誘導(dǎo)蠶絲蛋白β-sheet結(jié)構(gòu)自組裝形成一種新型的可注射水凝膠。該水凝膠以Mn3+為活性位點(diǎn)持續(xù)清除ROS并產(chǎn)生氧氣，緩解了脊髓損傷氧化應(yīng)激和乏氧的微環(huán)境。更重要的是，水凝膠緩慢釋放出Mg2+，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)Mg2+濃度以激活分化途徑促進(jìn)了神經(jīng)元的生長和分化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)神經(jīng)的修復(fù)再生。此外，該功能水凝膠有效誘導(dǎo)抗炎巨噬細(xì)胞的激活，從而減輕炎癥反應(yīng)。這種協(xié)同治療的綜合效果，包括抑制炎癥、改善乏氧和調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)金屬離子濃度共同促進(jìn)神經(jīng)生長和再生，顯著改善脊髓損傷小鼠的運(yùn)動(dòng)功能。

圖1. 水凝膠的制備及其在脊髓損傷修復(fù)中的作用機(jī)制示意圖

超薄MgMn-LDHs的構(gòu)建及其抗氧化、產(chǎn)氧性能

研究團(tuán)隊(duì)首先通過水熱法和液相剝離法合成了超薄的MgMn-LDHs（ULDH）納米片層材料，并通過透射電鏡、X-射線粉末衍射、X-射線光電子能譜、原子力顯微鏡等對(duì)其形貌、晶型、離子價(jià)態(tài)、片層厚度等進(jìn)行了表征分析（圖2）。結(jié)果表明成功合成了超薄片層的MgMn-LDHs水滑石納米材料，其片層厚度約為4 nm，片層平均直徑約為50 nm。

圖2. 超薄MgMn-LDHs的合成與表征

接著，研究了合成的ULDH對(duì)活性氧的清除效果。紫外吸收光譜顯示在較低的濃度范圍內(nèi)，ULDH表現(xiàn)出優(yōu)異的活性氧清除效果。特別是，在清除過氧化氫以及超氧根陰離子等活性氧自由基時(shí)，還伴隨著大量氧氣的生成。通過X-射線粉末衍射和拉曼光譜對(duì)ULDH與過氧化氫反應(yīng)前后進(jìn)行了表征。結(jié)果顯示，在與過氧化氫反應(yīng)后，有Mn4+-O鍵的生成，證明ULDH優(yōu)異的抗氧化和產(chǎn)氧性能源于不同Mn離子價(jià)態(tài)之間的轉(zhuǎn)變（圖3）。

圖3. ULDH清除ROS和生成O2的性能和機(jī)制

水凝膠的形成機(jī)理及其流變行為

絲素蛋白（SF）因其來源充足，且具有優(yōu)異的生物相容性和可調(diào)的生物降解性，使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。研究團(tuán)隊(duì)利用LDHs表面的羥基與蠶絲蛋白分子形成的氫鍵相互作用誘導(dǎo)蠶絲蛋白形成-sheet結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一種新型水凝膠（SF-ULDH）。傅里葉變換紅外光譜、X-射線衍射等表征均證明ULDH有效促進(jìn)了β-sheet及β-結(jié)晶結(jié)構(gòu)形成（圖4），最終有助于建立穩(wěn)定的水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。流變結(jié)果顯示該水凝膠具有良好的剪切變稀以及自修復(fù)性能。

圖4. 水凝膠的合成與表征

功能水凝膠促神經(jīng)修復(fù)機(jī)制研究

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過RNA轉(zhuǎn)錄組測(cè)序研究了水凝膠促神經(jīng)細(xì)胞生長分化的機(jī)制（圖5）。在H2O2處理的低氧環(huán)境下，SF-ULDH水凝膠處理的細(xì)胞展現(xiàn)出大量顯著差異調(diào)控的基因，與低氧應(yīng)答相關(guān)以及凋亡相關(guān)的關(guān)鍵基因均顯著下調(diào)。這些基因表達(dá)變化與SF-ULDH水凝膠改善的低氧條件和ROS水平的降低密切相關(guān)。GO與KEGG分析均顯示，水凝膠顯著改善了細(xì)胞分化，神經(jīng)元保護(hù)、生長因子活性等方面，以及通過激活包括P13K-Akt等多條信號(hào)通路促進(jìn)受損的神經(jīng)細(xì)胞生長和分化。

圖5. RNA轉(zhuǎn)錄組測(cè)序

功能水凝膠對(duì)脊髓損傷小鼠修復(fù)效果

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步評(píng)估了水凝膠在脊髓損傷小鼠的治療效果（圖6）。將水凝膠注射至脊髓損傷部位直至腔內(nèi)完全填充。在10周后，注射SF-ULDH組小鼠表現(xiàn)出有效的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。Basso Mouse Scale （BMS）測(cè)試結(jié)果顯示SF-ULDH組的平均BMS評(píng)分穩(wěn)步上升。免疫熒光及Western blot結(jié)果顯示，水凝膠可有效促進(jìn)神經(jīng)元的生長和再生，促進(jìn)神經(jīng)生長因子的分泌，抑制小膠質(zhì)、瘢痕組織的形成。這些動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SF-ULDH功能水凝膠可以有效地促進(jìn)組織再生、神經(jīng)元修復(fù)分化以及運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。

圖6. 體內(nèi)脊髓損傷修復(fù)情況評(píng)價(jià)

最后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在動(dòng)物水平上研究了功能水凝膠對(duì)神經(jīng)炎癥的影響（圖7）。免疫熒光、流式分析及蛋白印跡測(cè)試結(jié)果表明，SF-ULDH水凝膠可有效清除損傷部位的ROS，并通過促進(jìn)O2生成有效緩解乏氧。炎癥反應(yīng)評(píng)估結(jié)果表明：SF-ULDH水凝膠注射2周后顯著降低了SCI損傷組織CD86+炎癥細(xì)胞數(shù)量，增加了CD206+細(xì)胞的表達(dá)量；同時(shí)，SF-ULDH組表現(xiàn)出促炎因子（如IL-6和TNF-α）水平明顯低于對(duì)照組，而抑炎因子（如IL-4和IL-10）分泌明顯增加。因此SF-ULDH功能水凝膠改善了病灶部位的乏氧情況，降低了ROS水平，從而減輕了炎癥。

圖7. 體內(nèi)脊髓損傷后炎癥評(píng)價(jià)

總結(jié)與展望

脊髓損傷由于病理微環(huán)境中鎂離子穩(wěn)態(tài)失衡、乏氧、炎癥和活性氧物質(zhì)的升高而阻礙神經(jīng)再生。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于蠶絲蛋白的生物活性功能可注射水凝膠，通過將超薄抗氧化的MgMn-LDHs與蠶絲蛋白相結(jié)合，促進(jìn)了蠶絲蛋白β-sheet結(jié)構(gòu)的形成。SF-ULDH水凝膠持續(xù)清除ROS并產(chǎn)生氧氣，以緩解氧化應(yīng)激和乏氧的病理微環(huán)境。與此同時(shí)，SF-ULDH功能水凝膠緩慢釋放的Mg2+，調(diào)節(jié)細(xì)胞中的離子濃度，激活促神經(jīng)生長通路，實(shí)現(xiàn)了有效促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的生長和分化。該項(xiàng)研究闡明了蠶絲蛋白基生物活性功能水凝膠材料在脊髓損傷中的修復(fù)機(jī)理并拓展了其應(yīng)用。

原標(biāo)題：《程亮/張克勤/周曉中Matter：蠶絲蛋白生物活性水凝膠材料助力神經(jīng)組織修復(fù)和再生 | Cell Press論文速遞》

閱讀原文

相關(guān)知識(shí)

蠶絲健康材料
醫(yī)用重組III型人源化膠原蛋白修護(hù)凝膠(紐利安)(醫(yī)用重組III型人源化膠原蛋白修護(hù)凝膠)
滋養(yǎng)修復(fù)凝膠
疤痕修復(fù)凝膠(仁和)(疤痕修復(fù)凝膠)
疤痕修復(fù)凝膠(白云山)(疤痕修復(fù)凝膠)
疤痕修復(fù)凝膠(倍存醫(yī)生)(疤痕修復(fù)凝膠)
疤痕修復(fù)凝膠(barrick)(疤痕修復(fù)凝膠)
疤痕修復(fù)凝膠(莘護(hù))(疤痕修復(fù)凝膠)
硅凝膠疤痕修復(fù)貼(莘護(hù))(硅凝膠疤痕修復(fù)貼)
疤痕修復(fù)凝膠(葵花)(疤痕修復(fù)凝膠)

網(wǎng)址: 蠶絲蛋白生物活性水凝膠材料助力神經(jīng)組織修復(fù)和再生 http://www.u1s5d6.cn/newsview1631265.html