邓宇斌教授团队研究成果在国际生物材料顶级期刊Biomaterials发表

日前，中山大学邓宇斌教授作为通讯作者与共同通讯作者华南理工大学边黎明教授在Biomaterials在线发表了题为“Cell-adaptable dynamic hydrogel reinforced with stem cells improves the functional repair of spinal cord injury by alleviating neuroinflammation”的研究论文，该研究设计出一种细胞适应性神经源性(cell-adaptable neurogenic，CaNeu)新型水凝胶作为ADSCs的载体来促进脊髓损伤后的神经再生。

脊髓损伤(Spinal cord injury, SCI)是最具挑战性的临床问题之一，常导致神经回路和连接的破坏，引起暂时性或完全性的神经功能障碍。脂肪干细胞(Adipose-derived stem cells，ADSCs)是一种有潜力的治疗脊髓损伤的干细胞之一。然而，由于SCI后炎症微环境的存在，ADSCs直接移植到脊髓损伤处的治疗效果通常有限。

该研究发现CaNeu水凝胶的动态网络通过YAP信号促进包裹的ADSCs的伸展提供了有利的微环境。同时，ADSCs通过旁分泌激活PI3K/Akt通路，促进巨噬细胞向M2极化，此外，Bcl-2的上调和Bax的下调抑制了细胞凋亡。通过ADSCs与动态水凝胶CaNeu相互作用，SCI后的炎症微环境得到改善，从而促进神经再生，提高SCI后的修复效果。

图1. 动态CaNeu水凝胶负载ADSCs对SCI后M2巨噬细胞极化的影响及水凝胶中ADSCs的干性维持机制及细胞凋亡通路的示意图。CaNeu水凝胶调节 YAP 表达和利于内部负载ADSCs干性维持。同时，ADSC 通过旁分泌因子诱导 PI3K/Akt 通路激活，导致 Akt 磷酸化，Akt 表达水平的变化导致 M2 巨噬细胞增多。此外， Bcl-2 的上调和Bax的下调抑制了细胞凋亡从而促进了 SCI 的修复。

创伤性脊髓损伤(spinal cord injury, SCI)是最具挑战性的临床问题之一。SCI导致受损脊髓节段以下神经功能障碍，引起感觉或运动功能的部分或全部丧失，患者多遗留四肢瘫痪、顽固性神经痛等严重后遗症。

目前SCI治疗的主要干预措施包括早期手术减压、重症监护病房的血流动力学监测以及使用甲基强的松龙。然而，这些治疗手段都有诸多限制。在这种情况下，干细胞移植被认为是促进SCI后损伤轴突再生的潜在疗法。

干细胞能不断自我更新被广泛应用于SCI的基础及临床前研究，间充质干细胞具有高度的自我更新能力和多向分化潜能，在体外扩增迅速，可在较短时间内获得较多数量的细胞，以满足临床治疗需求，且在临床治疗中操作相对简单。其中，脂肪干细胞（Adipose-derived stem cells，ADSCs）具有来源丰富、扩增性好、低免疫原性且可通过低侵入性技术获取等优点。这表明，ADSCs在临床治疗上存在一定应用前景。

图2. 负载ADSCs的CaNeu水凝胶移后植促进脊髓损伤大鼠运动能力恢复。(A) 治疗性实验工作流程示意图；(B) SCI后8周动物行走步态的代表性图；(C) BBB评分评估SCI后大鼠运动恢复情况；(D) (E)植入后8周进行的电生理学研究流程的示意图及结果；(F) MEP平均振幅统计结果。

在临床试验中，将干细胞直接局部移植到SCI损伤中心，严重的炎症微环境会导致大量细胞的丢失和死亡。伴随创伤或血管损伤的囊性空腔将会进一步加剧细胞损失。此外，脊髓损伤后的炎症与胶质瘢痕的形成密切相关，这是阻止轴突再生的慢性和物理屏障。生物材料支架在提高SCI修复的治疗效果方面具有相当大的应用前景，其中水凝胶是最理想的干细胞递送生物材料载体之一。此前的研究表明水凝胶,包括透明质酸(hyaluronic acid, HA)水凝胶,聚乳糖酸 (poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA))水凝胶, 甲基丙烯酸-2-羟基乙酯(Poly(2-hydroxyethylmethacrylate), HEMA))水凝胶,纳米纤维凝胶,自组装多肽水凝胶，可以设计为模仿在SCI中丢失的细胞外基质(extracellular matrix, ECM)结构，并且可以支持细胞迁移和轴突再生。除了简单地将干细胞封装在水凝胶中，水凝胶本身如果具有细胞适应性的动态网络，可以更好地支持封装的干细胞扩展和分化以及对宿主免疫细胞的招募。

因此本研究中通过设计一种基于主-客体分子间作用力交联的物理性动态水凝胶（cell-adaptable neurogenic）CaNeu，该水凝在物理性能和和生物功能上都得到提升，包括自愈合性能、机械弹性模拟神经组织的结构和力学特性、凝胶状态下的可注射性、形状重塑能力以及支持细胞在水凝胶中的迁移能力。CaNeu水凝胶通过YAP的力学传导信号支持ADSCs在其中更好地伸展，CaNeu水凝胶的动态网络为细胞迁移生长提供了可渗透的细胞外基质，从而促进轴突生长并最终导致运动诱发电位、后肢强度和大鼠脊髓完全横断的协调性的改善。负载的ADSCs通过分泌因子激活PI3K/Akt信号通路促进巨噬细胞向M2极化，减缓神经炎症，从而促进大鼠SCI后神经、轴突再生，后肢运动能力增强。此外，CaNeu水凝胶还通过诱导募集的巨噬细胞极化向促再生（M2) 表型的转变来建立抗炎微环境。我们的研究表明，CaNeu水凝胶介导的 ADSCs 递送显著抑制了神经炎症和细胞凋亡。 CaNeu水凝胶对于干细胞移植是一种有价值的载体，CaNeu水凝胶与ADSCs共同移植促进SCI修复的手段，为临床治疗SCI提供新的思路和方法。

该研究得到国家自然科学基金、深圳市科创委基金委的支持和资助。研究还得到广东医科大学周艳芳教授等课题组的支持。

邓宇斌教授现任中山大学附属第七医院教授 PI 博士导师 ，2018年广东省科技进步二等奖第一完成人 ，任广东省医师学会神经修复分会副主任委员 中国病理生理学会免疫学会副主任委员 （2届），中华医学奖评委，广东省科技奖评委。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961221005470

编辑/孙琳