浙大李方园团队ACS AMI：纳米酶集成的温敏性原位成型水凝胶增强间充质干细胞活力和旁分泌效应，实现高效脊髓修复

氧化铈纳米酶（CeNZ）是一种具有抗氧化活性的纳米材料，可以发挥优异的过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）模拟活性，目前已被应用于神经保护、癌症治疗、伤口愈合等多个领域。同时水凝胶作为一种局部递送系统以及细胞的载体也被应用于多种疾病模型的治疗。脊髓损伤（SCI）是一种严重的神经疾病，可导致多种感觉、运动和自主神经功能障碍。目前研究大多通过递送间充质干细胞（MSC）的策略对SCI进行损伤后修复，但是疾病部位的氧化应激微环境会抑制MSC的存活率，并且其自身旁分泌活性较弱，因此结合CeNZ和MSC治疗SCI的策略以及CeNZ与MSC之间的相互作用机制值得进一步研究。

近期，浙江大学李方园副教授等人通过温敏型水凝胶共负载CeNZ和MSC的策略对SCI的修复进行了研究。研究发现CeNZ可以通过缓解氧化应激微环境改善MSC生存率同时增强MSC的旁分泌，进而加快SCI的修复效果。相关工作以“Nanozyme-Integrated Thermoresponsive In Situ Forming Hydrogel Enhances Mesenchymal Stem Cell Viability and Paracrine Effect for Efficient Spinal Cord Repair”为题发表在ACS Appl. Mater. Interfaces。

研究团队对CeNZ和壳聚糖温敏水凝胶进行了表征（图1）。首先，利用柠檬酸对疏水性的CeNZ进行修饰，使其在水溶液中具有较好的稳定性，并证明柠檬酸修饰的CeNZ具有出色的CAT和SOD模拟酶活性。基于壳聚糖的温敏型水凝胶通过甘油磷酸酯（β-GP）作为交联剂进行成胶，柠檬酸修饰的CeNZ通过与壳聚糖的胺基形成静电相互作用从而将CeNZs包封在水凝胶（CeNZ-gel）中。扫描电子显微镜图像显示CeNZ-gel具有典型的多孔微观结构，这有利于营养物质的转运。接着，研究了CeNZ-gel的凝胶特性，在4℃时，CeNZ-gel以溶胶状态存在，但当温度升高到达37℃时立即转变为凝胶状态。这种特性使CeNZ-gel适合用注射器注射给药。后续对其酶活性的稳定性也进行了分析，发现酶活性并未随时间变化发生降低。

图1 温敏型水凝胶以及CeNZ的相关表征

接着，研究团队评估了CeNZ-gel的抗氧化作用和旁分泌促进的作用（图2）。MSC与CeNZ-gel共培养7天后，未发现明显的细胞毒性，表明其具有良好的生物相容性。在H2O2诱导的氧化微环境下，空白凝胶中培养的MSC会出现明显的细胞死亡，而CeNZ-gel中培养的MSC则没有明显的细胞死亡。更重要的是，CeNZ-gel对包裹的MSC的保护作用是可持续的。进一步研究表明，CeNZ-gel能通过清除过量的ROS保护MSC免受有害的氧化损伤。MSC分泌的生长因子在促进组织修复方面发挥着重要作用。因此，我们验证了CeNZ-gel对MSC的旁分泌效应的影响。在氧化微环境下，空白凝胶中MCS分泌的血管内皮生长因子、Ang-1和TGF-β1水平明显降低，但在CeNZ-gel中明显升高。通过划痕实验也能证明CeNZ-gel可以显著促进MCS的迁移，取上清液加入人脐静脉内皮细胞中进行培养后发现，具有显著促进成血管的功能。

图2 体外评估CeNZ-gel的抗氧化作用和旁分泌促进的作用

为了模拟临床上SCI后极其有限的运动功能自我恢复，研究团队建立了一个严重的脊髓完全横断模型，并将MSC包裹的CeNZ-gel注射到病变部位验证其治疗效果（图3）。由于CeNZ-gel具有热致伸缩性、在原位迅速转变为凝胶状态，填充SCI小鼠T9处3毫米长的脊髓节段。体内注射后，CeNZ-gel完全附着于脊髓表面并将两个断裂的脊髓连接在一起。在治疗过程中，各组大鼠体重均无明显下降。此外主要器官的组织病理学分析和血清生化指标也未发生明显区别，这表明MSC包裹的CeNZ-gel的生物相容性。手术后第35天，SCI组大鼠的后肢仍然完全瘫痪，而CeNZ-gel组大鼠的运动行为明显改善。根据水平梯级行走任务分析，CeNZ-gel组的大鼠有效后肢步长比是SCI组的6.2倍，而空白凝胶组和SCI组之间没有观察到显著差异。这些结果表明，MSC包裹的CeNZ-gel显著促进了运动功能的恢复。

图3 MSC包裹的CeNZ-gel对SCI的治疗效果

研究突显了CeNZ-gel作为一种基于壳聚糖的温敏型水凝胶的潜力（图4）。通过对病理微环境和移植干细胞的综合调控，为基于干细胞的治疗提供了一种前景广阔的方法。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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