双生物功能化神经导管实现同步血管化和神经再生功能|芬兰埃博学术大学张宏博教授和南通大学李贵才副教授团队新进展

2020
09/09

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Research编辑部 /  Research科学研究
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芬兰埃博学术大学张宏博教授和南通大学李贵才副教授团队提出了一种具有双生物功能化支架的构建策略,证明具有该双功能化支架能显著促进血管生长和神经再生,有望用于周围神经损伤修复和治疗。

芬兰埃博学术大学张宏博教授和南通大学李贵才副教授团队提出了一种具有双生物功能化支架的构建策略,证明具有该双功能化支架能显著促进血管生长和神经再生,有望用于周围神经损伤修复和治疗,相关成果以 ” Construction of Dual-Biofunctionalized Chitosan/Collagen Scaffolds for Simultaneous Neovascularization and Nerve Regeneration” 为题发表在Research 上(Research, 2020 DOI: 10.34133/2020/2603048)。

01 研究背景

周围神经损伤(PNI)的快速有效修复是尚未解决的世界性临床难题之一。组织工程生物材料支架可以用于修复周围神经缺损,但仍然难以修复较长距离的神经缺损。其根本原因在于:该类桥接物中难以形成能够长期且稳定地为神经再生提供必需营养物质的血管化网络结构和能有效促进PNI修复的仿生信号。研究发现,通过结合特定的生物活性因子对人工神经植入物进行生物功能化,可以极大地提高人工神经植入物修复和治疗周围神经缺损的成功率。然而,目前多数关于新型生物功能化植入物的研究主要集中在如何促进神经元生长和轴突修复,但忽略了血管化对于神经再生过程的重要影响,而支架血管化能为神经再生提供必要的营养物质,尤其是对于长距离远期神经功能恢复意义重大,但目前还没有构建同时具有促血管化和神经再生功能的人工神经移植物用于修复周围神经损伤的相关研究。因此,亟待设计和开发具有优异促神经再生功能的血管化仿生人工神经移植物

02 研究进展

芬兰埃博学术大学张宏博教授和南通大学李贵才副教授的团队采用溶液共混,原位冻干和表面修饰的方法制备了同时具有促血管化和神经再生功能的VEGF/IKVAV接枝的壳聚糖/胶原支架(图1)。首先采用原位冷冻干燥技术制备壳聚糖/胶原(CC)支架,然后借助肝素作为中间媒介通过静电作用将VEGF(内皮细胞生长因子)和IKVAV(神经生长多肽)接枝到支架上,最终实现具有双生物功能化的神经再生支架的制备。

图1 具有双生物功能性的壳聚糖/胶原支架的制备示意图

材料学理化性能分析表明VEGF和IKVAV可以很好地接枝到壳聚糖/胶原支架上,且在支架内部分布均匀(图2)。

(a)通过FTIR进行成分变化

(b)通过SEM观察形态,比例尺= 10μm

(c)通过AFM扫描进行粗糙度检测

图2  支架的理化特性

该接枝技术还可以用于接枝其它功能性生物活性分子。随后,该双生物功能化支架被证明能显著促进内皮细胞和施万细胞的生长,ECs(红色箭头)主要具有鹅卵石和椭圆形的形态,而SCs(黄色箭头)主要具有细长的纺锤状的形态。使用针对EC的CD31和针对SC的s100β的免疫荧光染色表明,EC和SCs均可在支架中生长良好(图3)。

图3 EC和SC在各种支架中的共培养

进一步采用蛋白质印迹法检测了在各种支架中培养的EC和SC的蛋白质差异。与CC支架相比,几乎所有生物功能化的支架都可以下调AMPK,MPZL和SMAD4的表达,除了具有与CC相同的SMAD4表达水平的I50V50支架。与CC支架相比,I50V50可以显着上调SC中α-微管蛋白和CD31、VEGF的表达。此外,与所有其他支架相比,I50V50在SC中还具有最高的MBP和N-钙粘着蛋白表达(图4)。

图4  使用蛋白质印迹分析在各种支架中培养3天的EC和SC的蛋白表达分析

其次,将CC支架和I50V50支架植入鸡胚中8天来评估其血管生成。双生物功能化支架(I50V50)显示出明显的毛细血管网络和许多血管分支。但是,在CC支架中仅观察到很少的血管分支,而且,双生物功能化支架拥有更长的血管。进一步,将两种支架都植入大鼠坐骨神经的受损部位,以评估其血管形成作用。结果表明,在双重生物功能化支架的内部和表面上血管都生长,而在对照组支架表面上仅出现了很少的血管(图5)。

图5  鸡胚实验8天(a-d)和坐骨神经植入14天(e,f)后的支架血管化评估

最后,将双生物功能化支架植入大鼠坐骨神经损伤部位以评估横断面坐骨神经的轴突再生和髓鞘形成。实验组再生神经纤维(红色和绿色)的密度高于对照组,而且实验组大鼠的CMAP振幅也较对照组增强。另外,实验组胫前肌和腓肠肌湿重比也显著高于对照组。TEM进一步用于分析再生远端神经节段的超微结构。再生的髓鞘纤维表现出均匀的圆形结构,在不同组中具有雪旺细胞的完美基底膜和电子致密性髓鞘。对照组髓鞘层数和数量均低于实验组,实验组g值也明显高于对照组。因此,双生物功能化支架具有明显的促进坐骨神经损伤修复的作用(图6)。

图6  手术12 w后坐骨神经再生的评估

图7  术后12周用TEM观察不同组大鼠再生神经纤维

03 未来展望

联合采用冻干和表面修饰技术成功构建了具有IKVAV / VEGF的双生物功能化壳聚糖/胶原蛋白支架。制备的支架在体外显示出雪旺细胞和内皮细胞的附着和存活增强,以及上调与髓鞘和血管化相关的基因和蛋白质。此外,IKVAV / VEGF双生物功能化壳聚糖/胶原蛋白支架不仅能够增强血管生成,而且还能够在体内再生坐骨神经组织内促进轴突再生,髓鞘形成和功能恢复。结果证明应用双生物功能化壳聚糖/胶原蛋白支架通过IKVAV / VEGF诱导的协同效应改善临床周围神经再生的可能性,有望为设计和开发新一代的神经再生人工植入物提供重要的实验和理论参考

04 作者简介

张宏博,芬兰Åbo Akademi大学教授;上海交通大学瑞金医院客座教授,拥有药学,纳米医学,微流控,生物成像,诊断等领域的多学科背景。发表论文100余篇,谷歌引用超过3000,H指数为36。担任Bioactive Materials(IF 8.7)的编委,Chemical Review,Advanced Materials,ACS Nano等期刊的审稿人。他主持了芬兰和中国的14个大型研究项目。E-mail: hongbo.zhang@abo.fi

李贵才,南通大学神经再生重点实验室副教授,中国生物材料学会神经修复材料分会秘书长,江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师培养对象。主要研究领域包括功能化/智能化生物材料的研究,组织工程人工植入器件的研发,生物制造,神经再生及有效功能精准重建的实现。在相关领域取得了卓越的成就。Email:gcli1981@ntu.edu.cn

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关键词:
神经导管,神经再生,血管,神经损伤,双生物功能化支架

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