中大新聞網訊（通訊員何留民）脊髓損傷極易造成損傷節段以下嚴重的神經功能障礙，具有致殘率高和恢復難的特點，目前臨床療效有限，已成為世界性醫學難題。脊髓損傷觸發“炎癥風暴”，導致瘢痕組織包裹的囊性空洞形成，嚴重阻礙軸突再生。近年研究發現，生物材料在脊髓損傷修復中扮演著非常重要的角色，能夠重建損傷部位微環境，促進軸突再生和功能恢復，為脊髓損傷修復帶來新的希望。但是目前報道的生物材料支架往往與脊髓組織適配性不佳，修復效果欠佳。
針對該關鍵難題，中山大學附屬第三醫院脊柱外科戎利民教授/何留民研究員團隊近期開發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境穩態，支持神經再生、促進功能恢復。
一、功能自組裝多肽納米水凝膠緩釋短肽藥物，精準干預硫酸軟骨素蛋白多糖（CSPG），重塑微環境，促進脊髓損傷修復（Small 2022）
CSPG是膠質瘢痕組織的主要成分，抑制軸突再生，但也具有隔離損傷區的積極作用。既往研究采用軟骨素酶ABC（ChABC）降解CSPG以促進神經再生，獲得一定的功能恢復，但“破而除”策略存在爭議。
團隊利用功能多肽RADA16-IKVAV/-RGD納米纖維水凝膠緩釋短肽ISP/ILP，拮抗CSPG抑制軸突生長受體，能夠有效增強軸突再生潛力，同時誘導內源神經干細胞向損傷區域募集并分化為神經元，與再生軸突建立神經聯系，促進大鼠行為學改善和電生理功能恢復。團隊研究發現，保留CSPG結構能夠調控炎癥細胞浸潤，誘導其向抗炎型極化并高表達抗炎因子。此外，與空白對照組的致密瘢痕不同，治療組細胞外基質主要成分collagen、laminin、fibronectin結構疏松，再生軸突穿過膠質-纖維瘢痕長入損傷區。
該研究為脊髓損傷后精準干預CSPG提供了新思路，同時也為纖維瘢痕干預及機制探索提供了理論依據。
圖1： F-SAP緩釋ISP/ILP調控脊髓損傷后微環境促進神經再生示意圖
二、多肽-絲素蛋白協同組裝構建雜化納米纖維水凝膠，重建神經再生微環境，促進脊髓損傷再生修復（Sci Adv 2023）
自組裝多肽大多通過非共價鍵作用形成水凝膠，力學強度和穩定性較弱，不利于神經再生。為提高自組裝多肽RADA16-X水凝膠力學性能，團隊利用RADA16-IKVAV（F-SAP）與絲素蛋白（SF）構建復合水凝膠。與簡單復合不同，SF納米囊泡在靜電吸引和滲透壓差作用下向F-SAP納米纖維網絡遷移，發生構象變化再組裝成納米纖維，形成具有雙網絡的F-SAP/SF雜化水凝膠。控制F-SAP與SF作用時間可調控雜化水凝膠力學強度和活性因子釋放速率。
大鼠脊髓全橫斷損傷后，F-SAP/SF水凝膠聯合NT-3能夠較好地填充損處區域，調控巨噬細胞/小膠質細胞向抗炎型極化并分泌抗炎因子，改善病灶炎癥微環境。術后8周皮質脊髓束神經纖維穿越損傷區域生長，再生神經包括了運動相關的5-羥色胺（5-HT）神經纖維以及與感覺相關的降鈣素基因相關肽（CGRP）神經纖維。同時，再生神經軸突外包裹髓鞘。電生理檢測和后肢運動功能評分顯示F-SAP/SF顯著促進功能恢復。
研究團隊提出基于分子間協同作用構建雜化水凝膠，為開發神經修復材料提供了一個很有前途的策略。
圖2：功能性自組裝短肽（F-SAP）與絲素蛋白（SF）協同組裝構建復合納米纖維水凝膠
三、多肽基多功能水凝膠融合脊髓組織，促進脊髓損傷修復（Bioact Mater 2021；Adv Mater 2023）
生物材料在體內處于動態力學微環境，其結構完整性以及與脊髓組織的融合極易受到損害，不利于神經再生。針對這個瓶頸性難題，團隊構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），聯合功能多肽Fmoc-RRIKVAV（FI）制備了一類復合水凝膠FC/FI。芴甲氧羰基大量苯環的“π-π堆積”充當物理交聯點，其動態可逆作用使得FC/FI水凝膠具有優異的可注射性及自修復性，并對姜黃素（Cur）具有良好的緩釋作用。體外細胞研究表明，緩釋Cur的水凝膠FC/FI-Cur促進背根神經節軸突生長和雪旺細胞遷移，并獲得髓鞘結構。FC/FI-Cur水凝膠能夠在大鼠脊髓損傷部位重構細胞外基質，并通過調節炎癥細胞極化表型調控炎癥反應。雪旺細胞從神經根中募集到FC/FI-Cur水凝膠植入物中，參與再生軸突的髓鞘形成，促進功能恢復。
圖3：FC/FI可注射自修復水凝膠緩釋姜黃素修復脊髓損傷示意圖
在此基礎上，團隊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）復合，制備雙重交聯的雜化水凝膠CD/HRI，包括通過CD中鄰苯二酚氧化作用形成的共價鍵和通過CD和HRI分子中芳香環之間的π-π堆積。這些化學和物理作用賦予CD/HRI良好的可注射、自修復和組織粘附等多種功能，能夠負載并緩慢釋放NT3。
圖4：CD/HRI-NT3可注射、自修復和粘附性能水凝膠修復脊髓損傷示意圖
CD/HRI-NT3溶液注射至大鼠脊髓全橫斷損傷處后形成水凝膠，與宿主脊髓粘結并能夠保持結構完整。術后2周，炎癥細胞非特異浸潤被抑制，向抗炎表型極化，微環境免疫穩態獲得恢復。CD/HRI-NT3水凝膠促進感覺軸突和運動軸突再生，且再生神經元與表達興奮性遞質標志物泡狀谷氨酸轉運體（Glut）和抑制性遞質標志物泡狀GABA（v-氨基丁酸）轉運體（VGAT）的末端密切相關。此外，CD/HRI-NT3水凝膠對脊髓損傷大鼠泌尿系統具有保護作用，能有效修復膀胱損傷。
研究結果凸顯新型復合水凝膠在脊髓損傷再生修復中的巨大潛力，未來有望進一步應用于臨床研究。
附屬第三醫院脊柱外科戎利民教授/何留民研究員團隊的系列研究顯示，功能多肽基納米纖維水凝膠具有促進神經再生的巨大潛力，修復脊髓損傷的同時，也可應用于其他類型的組織再生，未來在更多疾病的治療手段研究創新與應用中同樣具有可觀的前景。
該系列研究獲得了國家自然科學基金、廣州市民生科技攻關計劃、廣東省科技創新戰略專項粵港科技創新聯合資助項目、廣東省自然科學基金-杰出青年項目、廣州市重點研發計劃項目和 廣東省重點領域研發計劃項目等基金的資助。
系列論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/smll.202205012
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg0234
