我院脊柱外科發(fā)表脊髓損傷修復(fù)系列研究成果

脊髓損傷極易造成損傷節(jié)段以下嚴(yán)重的神經(jīng)功能障礙，具有致殘率高和恢復(fù)難的特點(diǎn)，目前臨床療效有限，已成為世界性醫(yī)學(xué)難題。脊髓損傷觸發(fā)“炎癥風(fēng)暴”，導(dǎo)致瘢痕組織包裹的囊性空洞形成，嚴(yán)重阻礙軸突再生。近年研究發(fā)現(xiàn)，生物材料在脊髓損傷修復(fù)中扮演著非常重要的角色，能夠重建損傷部位微環(huán)境，促進(jìn)軸突再生和功能恢復(fù)，為脊髓損傷修復(fù)帶來(lái)新的希望。但是目前報(bào)道的生物材料支架往往與脊髓組織適配性不佳，修復(fù)效果欠佳。

針對(duì)該關(guān)鍵難題，我院脊柱外科戎利民教授/何留民研究員團(tuán)隊(duì)近期開(kāi)發(fā)了一系列基于自組裝多肽RADA16-X（X為功能氨基酸序列如IKVAV、RGD和YIGSR等）的生物適配性多功能水凝膠，在脊髓損傷部位重塑微環(huán)境穩(wěn)態(tài)，支持神經(jīng)再生、促進(jìn)功能恢復(fù)。

（1）功能自組裝多肽納米水凝膠緩釋短肽藥物，精準(zhǔn)干預(yù)硫酸軟骨素蛋白多糖（CSPG），重塑微環(huán)境，促進(jìn)脊髓損傷修復(fù)（Small 2022，工程技術(shù)1區(qū)，IF: 13.3）

圖1：文章信息

（原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202205012）

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CSPG是膠質(zhì)瘢痕組織的主要成分，抑制軸突再生，但也具有隔離損傷區(qū)的積極作用。既往研究采用軟骨素酶ABC（ChABC）降解CSPG以促進(jìn)神經(jīng)再生，獲得一定的功能恢復(fù)，但“破而除”策略存在爭(zhēng)議。

團(tuán)隊(duì)利用功能多肽RADA16-IKVAV/-RGD納米纖維水凝膠緩釋短肽ISP/ILP，拮抗CSPG抑制軸突生長(zhǎng)受體，能夠有效增強(qiáng)軸突再生潛力，同時(shí)誘導(dǎo)內(nèi)源神經(jīng)干細(xì)胞向損傷區(qū)域募集并分化為神經(jīng)元，與再生軸突建立神經(jīng)聯(lián)系，促進(jìn)大鼠行為學(xué)改善和電生理功能恢復(fù)。團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，保留CSPG結(jié)構(gòu)能夠調(diào)控炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)，誘導(dǎo)其向抗炎型極化并高表達(dá)抗炎因子。此外，與空白對(duì)照組的致密瘢痕不同，治療組細(xì)胞外基質(zhì)主要成分collagen、laminin、fibronectin結(jié)構(gòu)疏松，再生軸突穿過(guò)膠質(zhì)-纖維瘢痕長(zhǎng)入損傷區(qū)。

該研究為脊髓損傷后精準(zhǔn)干預(yù)CSPG提供了新思路，同時(shí)也為纖維瘢痕干預(yù)及機(jī)制探索提供了理論依據(jù)。

圖2： F-SAP緩釋ISP/ILP調(diào)控脊髓損傷后微環(huán)境促進(jìn)神經(jīng)再生示意圖

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（2）多肽-絲素蛋白協(xié)同組裝構(gòu)建雜化納米纖維水凝膠，重建神經(jīng)再生微環(huán)境，促進(jìn)脊髓損傷再生修復(fù)（Sci Adv 2023，綜合1區(qū)，IF: 13.6）

圖3：文章信息

（原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg0234）

自組裝多肽大多通過(guò)非共價(jià)鍵作用形成水凝膠，力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性較弱，不利于神經(jīng)再生。為提高自組裝多肽RADA16-X水凝膠力學(xué)性能，團(tuán)隊(duì)利用RADA16-IKVAV（F-SAP）與絲素蛋白（SF）構(gòu)建復(fù)合水凝膠。與簡(jiǎn)單復(fù)合不同，SF納米囊泡在靜電吸引和滲透壓差作用下向F-SAP納米纖維網(wǎng)絡(luò)遷移，發(fā)生構(gòu)象變化再組裝成納米纖維，形成具有雙網(wǎng)絡(luò)的F-SAP/SF雜化水凝膠?？刂艶-SAP與SF作用時(shí)間可調(diào)控雜化水凝膠力學(xué)強(qiáng)度和活性因子釋放速率。

大鼠脊髓全橫斷損傷后，F(xiàn)-SAP/SF水凝膠聯(lián)合NT-3能夠較好地填充損處區(qū)域，調(diào)控巨噬細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞向抗炎型極化并分泌抗炎因子，改善病灶炎癥微環(huán)境。術(shù)后8周皮質(zhì)脊髓束神經(jīng)纖維穿越損傷區(qū)域生長(zhǎng)，再生神經(jīng)包括了運(yùn)動(dòng)相關(guān)的5-羥色胺（5-HT）神經(jīng)纖維以及與感覺(jué)相關(guān)的降鈣素基因相關(guān)肽（CGRP）神經(jīng)纖維。同時(shí)，再生神經(jīng)軸突外包裹髓鞘。電生理檢測(cè)和后肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分顯示F-SAP/SF顯著促進(jìn)功能恢復(fù)。

研究團(tuán)隊(duì)提出基于分子間協(xié)同作用構(gòu)建雜化水凝膠，為開(kāi)發(fā)神經(jīng)修復(fù)材料提供了一個(gè)很有前途的策略。

圖4：功能性自組裝短肽（F-SAP）與絲素蛋白（SF）協(xié)同組裝構(gòu)建復(fù)合納米纖維水凝膠

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（3）多肽基多功能水凝膠融合脊髓組織，促進(jìn)脊髓損傷修復(fù)（Bioact Mater 2021，材料科學(xué)1區(qū)，IF:18.9；Adv Mater 2023，材料科學(xué)1區(qū)，IF: 29.4）

圖5：文章信息

（原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.05.022）

生物材料在體內(nèi)處于動(dòng)態(tài)力學(xué)微環(huán)境，其結(jié)構(gòu)完整性以及與脊髓組織的融合極易受到損害，不利于神經(jīng)再生。針對(duì)這個(gè)瓶頸性難題，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了基于自組裝多肽的多功能水凝膠。

??? 首先利用芴甲氧羰基-甘氨酸（Fmoc-G）接枝改性殼聚糖（FC），聯(lián)合功能多肽Fmoc-RRIKVAV（FI）制備了一類(lèi)復(fù)合水凝膠FC/FI。芴甲氧羰基大量苯環(huán)的“π-π堆積”充當(dāng)物理交聯(lián)點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)可逆作用使得FC/FI水凝膠具有優(yōu)異的可注射性及自修復(fù)性，并對(duì)姜黃素（Cur）具有良好的緩釋作用。體外細(xì)胞研究表明，緩釋Cur的水凝膠FC/FI-Cur促進(jìn)背根神經(jīng)節(jié)軸突生長(zhǎng)和雪旺細(xì)胞遷移，并獲得髓鞘結(jié)構(gòu)。FC/FI-Cur水凝膠能夠在大鼠脊髓損傷部位重構(gòu)細(xì)胞外基質(zhì)，并通過(guò)調(diào)節(jié)炎癥細(xì)胞極化表型調(diào)控炎癥反應(yīng)。雪旺細(xì)胞從神經(jīng)根中募集到FC/FI-Cur水凝膠植入物中，參與再生軸突的髓鞘形成，促進(jìn)功能恢復(fù)。

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圖6：FC/FI可注射自修復(fù)水凝膠緩釋姜黃素修復(fù)脊髓損傷示意圖

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)利用多巴接枝改性殼聚糖（DA-g-CS，CD），與功能多肽HGF-RADA 16-IKVAV（HRI）復(fù)合，制備雙重交聯(lián)的雜化水凝膠CD/HRI，包括通過(guò)CD中鄰苯二酚氧化作用形成的共價(jià)鍵和通過(guò)CD和HRI分子中芳香環(huán)之間的π-π堆積。這些化學(xué)和物理作用賦予CD/HRI良好的可注射、自修復(fù)和組織粘附等多種功能，能夠負(fù)載并緩慢釋放NT3。

圖:7：文章信息

（原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202304896）

圖8：CD/HRI-NT3可注射、自修復(fù)和粘附性能水凝膠修復(fù)脊髓損傷示意圖

CD/HRI-NT3溶液注射至大鼠脊髓全橫斷損傷處后形成水凝膠，與宿主脊髓粘結(jié)并能夠保持結(jié)構(gòu)完整。術(shù)后2周，炎癥細(xì)胞非特異浸潤(rùn)被抑制，向抗炎表型極化，微環(huán)境免疫穩(wěn)態(tài)獲得恢復(fù)。CD/HRI-NT3水凝膠促進(jìn)感覺(jué)軸突和運(yùn)動(dòng)軸突再生，且再生神經(jīng)元與表達(dá)興奮性遞質(zhì)標(biāo)志物泡狀谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體（Glut）和抑制性遞質(zhì)標(biāo)志物泡狀GABA（v-氨基丁酸）轉(zhuǎn)運(yùn)體（VGAT）的末端密切相關(guān)。此外，CD/HRI-NT3水凝膠對(duì)脊髓損傷大鼠泌尿系統(tǒng)具有保護(hù)作用，能有效修復(fù)膀胱損傷。

研究結(jié)果凸顯新型復(fù)合水凝膠在脊髓損傷再生修復(fù)中的巨大潛力，未來(lái)有望進(jìn)一步應(yīng)用于臨床研究。

我院脊柱外科戎利民教授/何留民研究員團(tuán)隊(duì)的系列研究顯示，功能多肽基納米纖維水凝膠具有促進(jìn)神經(jīng)再生的巨大潛力，修復(fù)脊髓損傷的同時(shí)，也可應(yīng)用于其他類(lèi)型的組織再生，未來(lái)在更多疾病的治療手段研究創(chuàng)新與應(yīng)用中同樣具有可觀的前景。

該系列研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金（32271417, 31870964, 32071354）、廣州市民生科技攻關(guān)計(jì)劃（201903010095）、廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專(zhuān)項(xiàng)粵港科技創(chuàng)新聯(lián)合資助項(xiàng)目（2021A0505110007）、廣東省自然科學(xué)基金-杰出青年項(xiàng)目（2022B1515020083）、廣州市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（202206060002）和?廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019B020236002）等基金的資助。