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清华刘冬生/ASU颜颢/首都医大桂松柏:高渗透性 DNA 超分子水凝胶

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水凝胶 2021-07-28 23:50

【摘要】

严重脊髓损伤后的再生不能在哺乳动物中自然发生。将干细胞移植到损伤部位是一种很有前途的方法,但它面临许多挑战,因为它严重依赖于损伤部位和递送材料提供的微环境。尽管已经广泛探索了递送材料的机械性能、生物相容性和生物降解性,但很少认识到它们的渗透性。最近,清华大学刘冬生教授, 亚利桑那州立大学颜颢教授, 首都医科大学桂松柏主任医师/教授团队合作共同设计了一种具有极高渗透性的 DNA 水凝胶,以修复 Sprague-Dawley 大鼠的 2 毫米脊髓间隙。

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大鼠通过可检测的运动诱发电位恢复基本的后肢功能,并通过植入和内源性干细胞的增殖和分化形成新生神经网络。病变区域的信号平均由 15 个新形成的突触传递。这种水凝胶系统在临床试验中具有巨大的潜力。此外,它应该很容易适应其他组织再生应用。相关论文以题为Highly Permeable DNA Supramolecular Hydrogel Promotes Neurogenesis and Functional Recovery after Completely Transected Spinal Cord Injury发表在《Advanced Materials》上。

【主图导读】

图1 由损伤部位的 DNA 超分子水凝胶支持的新生神经网络形成。高渗透性超分子 DNA 水凝胶携带同源神经干细胞,用于修复大鼠 2 毫米长的脊髓间隙。新生神经网络是通过植入和内源性干细胞的增殖和分化在病变部位形成的。病变区域的信号由新形成的突触传递。

图2 体内功能恢复研究。A) 手术后每周四组的开放场运动-BBB 后肢评分。B) 手术后 8 周,正常 SD 大鼠和三个实验组的代表性运动诱发电位 (MEP) 痕迹。C) 术后 8 周所有实验组的中枢神经系统标本。

图3 接受携带 NSC 的 DNA 水凝胶的 NM 组中 NSC 的存活、迁移和增殖。

图4 接受携带 NSC 的 DNA 水凝胶的 NM 组中的新生神经元、轴突和突触。

图5 髓鞘再生。A-D) NM、M、N 和 SCI 组病变部位中间半薄切片的阴性染色,移植后 8 周。E) 移植后 8 周脊髓的矢状切面概览(MBP/GFP/DAPI免疫标记)。F) 病变部位的有髓轴突 (GFP/MBP/NF 免疫标记)。比例尺:20 µm。G-I) 移植后 8 周 NM 组病变部位中间的再生髓鞘、突触和血管的 TEM 图像。J) 移植后 8 周 SCI 组病变部位胶质瘢痕形成的 TEM 图像。比例尺:5 µm。

图6 修复脊髓的神经转导机制。A) 中枢神经系统样本中使用顺行追踪的采样点图像。受伤后 8 周将 BDA 注射到双侧运动皮层。B1) BDA 免疫染色脑干横切面概览,NM 组(接受携带 NSC 的 DNA 水凝胶),注射后 2 周。比例尺:1000 µm。B11)来自(B1)的放大图像。比例尺:100 µm。B2) 注射后 2 周,NM 组脊髓的 BDA 免疫染色矢状切面概览。比例尺:1000 µm。B21–B25)(B2)中不同部位的放大图像。比例尺:50 µm。B3) BDA 免疫染色的尾部宿主脊髓横切面概览,NM 组,注射后 2 周。比例尺:1000 µm。

图7 仅损伤 (SCI) 组和 NM 组(接受携带 NSC 的 DNA 水凝胶)修复脊髓组织微环境中 mRNA 水平随时间的变化。A) 神经营养因子和 B) 炎性细胞因子。

【总结】

这种设计合理的超分子 DNA 水凝胶具有高分子渗透性,可有效携带同源神经干细胞修复 SD 大鼠 2 mm 长的脊髓缺损。在 8 周内,基本后肢功能恢复,可检测到 MEP 信号。通过植入干细胞和内源性干细胞的增殖和分化,在病变部位形成新生神经网络。这个新生的网络通过新形成的突触支持病变区域的信号传递。该系统的分子、细胞学和组织生理学分析表明,这种超分子 DNA 水凝胶满足了理想的 NSC 移植材料的大部分要求,包括良好的渗透性、自愈能力和适当的机械支撑。水凝胶的 DNA 网络从一开始就为 NSC 提供了合适的生存环境。团队发现 DNA 水凝胶通过使植入和募集的神经干细胞充分迁移、增殖和分化,促进了连续再生神经网络的形成。这项工作提出了一种治疗脊髓损伤的新颖有效的策略。此外,团队预计这一策略将促进广泛的其他组织的原位修复。

参考文献

doi.org/10.1002/adma.202102428

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