新型水凝膠搭載抗炎藥物與生長(zhǎng)因子，加速SCI創(chuàng)口愈合促進(jìn)軸突再生

脊髓損傷（spinal cord injury, SCI）是對(duì)脊髓造成的暫時(shí)性或永久性的功能性損傷，常見的癥狀包括肌肉、感覺或自主神經(jīng)功能的喪失。

在嚴(yán)重的SCI后，神經(jīng)炎癥失調(diào)會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞凋亡，在傷口愈合過程中形成疤痕和空腔，并最終形成抑制神經(jīng)再生的萎縮性微環(huán)境。由于涉及到復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的病理生理學(xué)情況，少有通過微環(huán)境重塑實(shí)現(xiàn)無(wú)疤痕和無(wú)腔傷口愈合從而促進(jìn)神經(jīng)再生的系統(tǒng)解決方案。2021年7月10號(hào)，來(lái)自于浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)。在Advanced Healthcare Materials上發(fā)表了題為Rationally Designed, Self-Assembling, Multifunctional Hydrogel Depot Repairs Severe Spinal Cord Injury的文章，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型水凝膠，搭載抗炎藥物MPSS和GFs，促進(jìn)瘢痕邊緣和空腔愈合，可顯著促進(jìn)軸突再生。
 

▲論文圖

研究結(jié)果分析
01首先，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制作了水凝膠
為了填補(bǔ)SCI后不規(guī)則的病變區(qū)域，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種可注射、可搭載各種治療劑的自組裝凝膠（HD）。該水凝膠具有親水性、蛋白粘性以及增加細(xì)胞間的相互作用等特性。測(cè)定水凝膠凍干樣品在2個(gè)月內(nèi)質(zhì)量損失，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在SCI慢性期后注射該水凝膠可支持細(xì)胞遷移。同時(shí)，溶脹研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該水凝膠適合注射到SCI部位，不會(huì)引起注射后的二次損傷。
 

▲Fig. 1.1

02抗炎藥物與生長(zhǎng)因子釋放曲線的優(yōu)化
為了改善SCI急性期產(chǎn)生的炎癥，研究人員將抗炎藥物MPSS包埋進(jìn)納米顆粒（NPs）中，將藥物釋放時(shí)間延長(zhǎng)至幾天，保證抗炎藥物在急性期內(nèi)發(fā)揮最大功效。結(jié)果顯示，傳統(tǒng)沒有納米顆粒材料搭載的情況下，MPSS釋放時(shí)間約為2天；而有納米顆粒材料搭載的MPSS釋放時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4-7天，可覆蓋SCI急性期。

利用點(diǎn)擊化學(xué)方式將生長(zhǎng)因子(GFs)綴合到水凝膠中，釋放時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)1個(gè)月，在SCI慢性期可為神經(jīng)再生提供有力的支持。評(píng)估生物相容性的結(jié)果顯示，在水凝膠培養(yǎng)基中培養(yǎng)的細(xì)胞與在常規(guī)培養(yǎng)基中培養(yǎng)的細(xì)胞活力相當(dāng)，表明水凝膠具有生物相容性，細(xì)胞毒性低。
 

▲Fig. 2

04搭載抗炎藥的水凝膠幾乎可以完全防止空腔形成，但無(wú)法抑制瘢痕的形成
由于生長(zhǎng)因子無(wú)法有效阻礙空腔形成，研究團(tuán)隊(duì)嘗試通過延長(zhǎng)抗炎藥物釋放時(shí)間，緩解脊髓炎癥反應(yīng)，從而防止空腔形成。將MPSS（M-HD組）和納米顆粒搭載的MPSS（MP-HD組）分組注射在患處。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，MP-HD組的空腔體積僅為M-HD組的1/7，MP-HD組幾乎可以阻止空腔形成。損傷處下方的NF+ 軸突密度是對(duì)照組的兩倍。由于 MP-HD 組幾乎可以完全防止 SCI 后空腔形成，通過評(píng)估空腔的體積和剩余軸突的數(shù)量來(lái)確定介導(dǎo)過度活躍的神經(jīng)炎癥以防止空洞形成的最佳時(shí)間窗口。結(jié)果表明SCI 后 3-7 天可能是調(diào)節(jié)失調(diào)的神經(jīng)炎癥和保護(hù)神經(jīng)元/組織的最佳時(shí)間窗口。
 

▲Fig. 3

05水凝膠協(xié)同釋放生長(zhǎng)因子和抗炎藥物，促進(jìn)神經(jīng)再生
盡管 MP-HD 組幾乎完全阻止了空洞的形成，但疤痕邊界仍然抑制了受損軸突的再生。研究團(tuán)隊(duì)推測(cè)，除了抗炎藥外，提供神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子可能會(huì)促進(jìn)神經(jīng)元/組織的存活并減弱瘢痕的形成。在損傷后第 7 天，將含有MPSS裝載的NPs和GFs的水凝膠（MPG-HD）注射到損傷部位。與 MP-HD 組相比，MPG-HD組幾乎完全阻止了空腔的形成并保護(hù)了大量幸存的組織/軸突免受二次損傷，致密的GFAP+“墻”在MPG-HD介入后基本消失，新生一些較松散的結(jié)構(gòu)，可能是因?yàn)樯�長(zhǎng)材料促進(jìn)了細(xì)胞存活并增強(qiáng)了材料和宿主組織的整合。MPG-HD組伸入病灶 2 mm 的 NF+ 軸突數(shù)量增加了兩倍但這些軸突并沒有延伸到損傷部位的中心�？偟膩�(lái)說(shuō)，MPG-HD治療挽救了一些幸存的軸突免于繼發(fā)性損傷，并為軸突再生建立了一個(gè)可能的環(huán)境，即使這些軸突沒有穿過損傷部位。
 

▲Fig. 4

06MPG-HD 治療通過 ECM 重塑促進(jìn)神經(jīng)再生
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探究了MPG-HD防止空腔/瘢痕邊界形成并促進(jìn)神經(jīng)再生的機(jī)制。
橫向脊髓切片的 GFAP 和纖連蛋白 (FN) 染色表明，PBS對(duì)照組動(dòng)物中形成的空腔大部分被 FN+ 基質(zhì)填充。MP-HD 和 MPG-HD組的脊髓中的 Iba1 和 CD68 免疫反應(yīng)強(qiáng)度顯著降低至與完整組織相當(dāng)?shù)乃�平，表�?MP-HD 和 MPG-HD 成功將炎癥誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性調(diào)節(jié)至正常水平。僅在 MP-HD 或 MPG-HD 治療后在損傷中心區(qū)域觀察到更多的神經(jīng)元和髓鞘，表明 MP-HD 和 MPG-HD 治療后防止了軸突切斷的脊髓神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞的死亡。在MPG-HD 組中神經(jīng)元、成纖維細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的比例有所增加，表明 MPG-HD 有助于組織保護(hù)和 ECM 形成；另一方面，炎癥相關(guān)細(xì)胞的比例有所減少，表明 MPSS 的釋放可以抑制 SCI 后的神經(jīng)炎癥；同時(shí)，負(fù)責(zé)在受傷和完整組織之間形成屏障的小膠質(zhì)細(xì)胞的比例呈下降趨勢(shì)。

研究人員進(jìn)一步關(guān)注了在SCI傷口愈合過程中發(fā)揮抗炎和促炎作用的巨噬細(xì)胞，MP-HD 和 MPG-HD注射后抗炎巨噬細(xì)胞比促炎巨噬細(xì)胞多，且在MPG-HD注射條件下抗炎基因表達(dá)增加，促炎基因表達(dá)下降。此外，與傷口愈合、髓鞘、ECM、膠原蛋白和 GF 結(jié)合以及細(xì)胞粘附相關(guān)的基因表達(dá)在MPG-HD組比PBS對(duì)照組中顯著富集。這些結(jié)果表明MPG-HD治療優(yōu)化了ECM形成并促進(jìn)組織保護(hù)。
 

Fig. 5

07水凝膠通過治療幸存軸突而非再生軸突來(lái)促進(jìn)功能恢復(fù)
在功能和行為方面，第5 周時(shí)，G-HD 組大鼠可見明顯的踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，并在注射9 周后達(dá)到功能平臺(tái)。MP-HD 組7周后大鼠可見足底踏地和負(fù)重步行，表明 MP-HD 治療具有防止空腔形成和保護(hù)備用幸存組織/軸突的能力。然而，與 MP-HD相比，MPG-HD 治療未能進(jìn)一步改善功能恢復(fù)，表明 MPG-HD 治療誘導(dǎo)的再生軸突不能自發(fā)發(fā)揮功能。

08殘留的軸突支配損傷部位下方的脊髓并介導(dǎo)功能恢復(fù)
為了確認(rèn)殘余的軸突重新支配了損傷部位下方的脊髓神經(jīng)回路，使用肌電圖 (EMG)評(píng)估從中樞神經(jīng)元到外周神經(jīng)元的連接。將刺激電極放置在后肢運(yùn)動(dòng)控制區(qū)的皮質(zhì)上，并監(jiān)測(cè)踝屈肌的EMG活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)僅在 MPG-HD 組的動(dòng)物中觀察到踝屈肌的EMG 活動(dòng)，但幅度小于未損傷動(dòng)物的幅度。為了進(jìn)一步確認(rèn)功能恢復(fù)是否依賴于殘留的神經(jīng)元回路，研究人員將脊髓損傷部位重復(fù)橫斷，一周后后肢功能改善完全消失，該結(jié)果表明，功能恢復(fù)是由剩余的軸突依賴性神經(jīng)元回路介導(dǎo)的。
 

展望
在本研究中，再生軸突不能穿過病變部位到達(dá)運(yùn)動(dòng)功能束。理想情況下，具有精確線性陣列的自組裝支架可以幫助軸突經(jīng)由脊髓病變部位向適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)區(qū)域再生，但是目前還沒有這種技術(shù)。在未來(lái)的研究中，原位 3D 打印技術(shù)可能能夠在脊髓病變上創(chuàng)建精確、高保真的線性陣列。即使損傷的軸突可以在病變處生長(zhǎng)，它們可能仍然難以觸及靶點(diǎn)，并且它們可能需要依賴于使用可塑性來(lái)形成中繼電路并整合到功能網(wǎng)絡(luò)中。

瑞沃德68099II精密打擊器是一款用于顱腦和脊髓損傷造模的儀器，采用氣動(dòng)-電動(dòng)控制，可精準(zhǔn)調(diào)節(jié)打擊速度、打擊深度以及停留時(shí)間，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打擊。

* 戳這里查看文獻(xiàn)原文https://img03.en25.com/Web/RWD/%7B263c58db-a399-4dd3-8957-90237686bbb3%7D_Depot_Repairs_Severe_Spinal_Cord_Injury.pdf