《Nature Communications》：Hydrogel with cell-cell adhesion cues enhances neural regeneration
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本研究针对生物材料难以有效模拟细胞间黏附信号的关键问题，开发了一种具有N-钙黏蛋白动态扩散功能的水凝胶系统(NL@SFMA)。该研究通过仿生构建可扩散的细胞黏附界面，显著促进神经元迁移、轴突生长和突触形成，并揭示其通过THBS-1介导的神经通讯和TGF-β/Smad、AKT/mTOR通路激活的分子机制。在创伤性脑损伤模型中，该水凝胶有效促进神经功能恢复，为神经再生材料设计提供了新策略。
在大脑这个精密复杂的神经网络中，细胞与细胞之间的"握手"——即细胞间黏附，是维持神经功能和组织结构完整性的关键。这种黏附不仅帮助细胞相互识别、紧密连接，更是神经突触形成和神经网络功能的基础。然而，在神经损伤修复领域，如何让生物材料有效模拟这种精细的细胞间"对话"机制，一直是科学家们面临的重大挑战。
传统的生物材料大多专注于模拟细胞与细胞外基质的相互作用，而忽视了细胞间黏附的重要性。特别是在中枢神经系统损伤后，由于微环境的改变和胶质瘢痕的形成，神经元之间的连接重建变得异常困难。虽然已有研究尝试将黏附分子固定在水凝胶中，但这种静态的固定方式无法模拟天然细胞膜上黏附分子的动态特性，大大限制了其促进神经再生的效果。
近日，南通大学杨宇民教授、葛逸凡教授和凌珏教授团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究，他们成功开发了一种具有N-钙黏蛋白动态扩散功能的水凝胶系统，为神经再生材料设计带来了新思路。该研究通过巧妙的分子设计，让水凝胶中的N-钙黏蛋白能够像在天然细胞膜上一样自由扩散，从而有效模拟细胞间的黏附过程。
研究团队采用了几项关键技术方法：通过光交联技术将脂质体与丝素蛋白甲基丙烯酰酯结合构建可扩散界面；利用荧光漂白恢复技术验证分子扩散性；通过微流控芯片模拟轴突断裂模型；运用RNA测序和Western blot分析分子机制；建立大鼠创伤性脑损伤模型进行体内功能验证。
制备和表征脂质修饰水凝胶
研究团队首先开发了脂质修饰的丝素蛋白甲基丙烯酰酯水凝胶。他们巧妙地将含有硫醇基的DPTE和DOPC脂质与丝素蛋白链通过光交联反应结合，在水凝胶内部形成了均匀分布的脂质双分子层。扫描电镜显示该水凝胶具有146.3±3.842微米的互联多孔结构，为细胞生长提供了充足空间。流变学测试表明其储能模量约为0.1kPa，与脑组织硬度相匹配，且光固化时间小于5分钟，能很好地适应不规则脑损伤。
NL@SFMA水凝胶中N-钙黏蛋白的扩散性
通过精确调控DPTE（不可移动脂质）和DOPC（可移动脂质）的比例，研究人员发现当DPTE占比为5%时，脂质分子在水凝胶中保持了良好的扩散性。他们将带有组氨酸标签的N-钙黏蛋白通过镍离子螯合连接到脂质上，成功构建了具有扩散性的N-钙黏蛋白功能化水凝胶。荧光漂白恢复实验证实，与直接固定在水凝胶网络中的N-钙黏蛋白相比，NL@SFMA中的N-钙黏蛋白具有显著更好的扩散能力，且这种特性在PBS中浸泡7天后仍能保持。
水凝胶中细胞间黏附信号促进神经生长
在细胞实验中，研究人员观察到NL@SFMA水凝胶中的N-钙黏蛋白能在细胞膜与水凝胶界面动态组装成簇，这一过程与膜突起的重塑同步发生，促进了神经元迁移。与原代皮层神经元共培养3天后，NL@SFMA组不仅轴突长度显著增加，神经元间的连接也更加密集。膜片钳记录显示，NL@SFMA组神经元的自发兴奋性突触后电流频率显著提高，表明突触活动增强。在模拟轴突断裂的微流控实验中，NL@SFMA水凝胶展现了最强的促进轴突再生的能力。
NL@SFMA水凝胶促进神经生长的生物学机制
RNA测序分析发现，NL@SFMA水凝胶能上调突触组织、神经元迁移和细胞间黏附相关基因表达，同时下调线粒体凋亡通路。Western blot证实该水凝胶通过降低Bax/Bcl-2蛋白比值抑制细胞凋亡，并维持线粒体膜电位和ATP产量。进一步机制研究表明，NL@SFMA通过上调血小板反应蛋白1（THBS-1）激活TGF-β/Smad通路，同时增强AKT/mTOR信号通路，从而促进神经生长。使用THBS-1抑制剂加巴喷丁或基因敲低实验均证实了THBS-1在该过程中的关键作用。
NL@SFMA水凝胶具有良好的生物相容性
细胞毒性实验显示，PC12细胞在三种水凝胶上均能正常增殖，溶血率均低于1%，表明这些水凝胶具有良好的血液相容性和细胞相容性，为体内应用奠定了基础。
NL@SFMA水凝胶增强创伤性脑损伤修复
在大鼠创伤性脑损伤模型中，NL@SFMA治疗组在改良神经严重程度评分和旋转棒测试中表现最佳，表明神经功能缺损和运动功能障碍得到显著改善。莫里斯水迷宫实验进一步证实，NL@SFMA组大鼠的学习记忆能力明显恢复。组织学分析显示，NL@SFMA治疗组损伤区域空洞显著减小，大量再生细胞填充损伤区域。免疫荧光染色发现，NL@SFMA能促进小胶质细胞向抗炎的M2表型极化，抑制胶质瘢痕形成，同时增加Tuj1阳性神经元和突触标志物GAP43、SYN的表达，表明形成了密集的神经网络。
这项研究不仅为神经再生提供了一种新型生物材料，更重要的是建立了"通过模拟细胞间黏附动态特性来调控细胞命运"的新范式。该策略可扩展到其他组织工程领域，为研究各种细胞表面分子在组织发育和再生中的作用提供了通用平台。随着进一步研究，这种基于细胞间通讯原理的材料设计理念有望为多种组织损伤修复带来突破。
