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天津大學(xué)劉文廣教授、天津醫(yī)院楊強(qiáng)主任醫(yī)師 AFM:核酸堿基驅(qū)動(dòng)的透明質(zhì)酸可注射黏附水凝膠增強(qiáng)退變性椎間盤(pán)修復(fù)
2024-03-13  來(lái)源:高分子科技

  近期,天津大學(xué)劉文廣教授團(tuán)隊(duì)和天津大學(xué)天津醫(yī)院楊強(qiáng)主任醫(yī)師團(tuán)隊(duì)聯(lián)合發(fā)表研究論文:A Nucleobase-Driven Self-Gelled Hyaluronic Acid-Based Injectable Adhesive Hydrogel Enhances Intervertebral Disc Repair。該研究將核酸堿基引入透明質(zhì)酸側(cè)鏈,在核酸堿基之間氫鍵作用的驅(qū)動(dòng)下自發(fā)形成一種兼具“組織黏附性”、“良好水化能力”和“適當(dāng)力學(xué)性能”的可注射水凝膠。進(jìn)一步將MnO2納米粒子引入其中,作為干細(xì)胞遞送體系用于促進(jìn)髓核再生,增強(qiáng)退變性椎間盤(pán)的治療效果(圖1)。該體系同時(shí)實(shí)現(xiàn)“植入初期改善椎間盤(pán)生物力學(xué)功能”和“改善炎癥及氧化應(yīng)激微環(huán)境,促進(jìn)髓核再生”,為治療椎間盤(pán)退變提供了一種新的選擇。



  椎間盤(pán)(IVD)主要由髓核、纖維環(huán)和軟骨終板形成,在維持人體站立、跳躍和彎曲等運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性方面發(fā)揮著不可或缺的作用。其中,髓核(NP)主要發(fā)揮緩沖應(yīng)力和維持脊柱柔韌性的作用。然而,久坐或年齡増長(zhǎng)以及運(yùn)動(dòng)損傷均可能導(dǎo)致椎間盤(pán)退變(IVDD),俗稱腰痛,嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量。在臨床上,通常使用椎間盤(pán)切除術(shù)或腰椎融合術(shù)來(lái)治療IVDD,然而這可能會(huì)影響IVD的正常功能,并導(dǎo)致各種術(shù)后并發(fā)癥。因此,在椎間盤(pán)切除術(shù)后恢復(fù)其生物力學(xué)功能并促進(jìn)NP組織再生至關(guān)重要。


  透明質(zhì)酸(HA)因其良好的水化能力被廣泛應(yīng)用在髓核再生的研究中。據(jù)報(bào)道,透明質(zhì)酸溶液負(fù)載間充質(zhì)干細(xì)胞治療IVDD的研究已經(jīng)進(jìn)入二期臨床試驗(yàn)。然而,透明質(zhì)酸溶液不利于將細(xì)胞穩(wěn)定保留在預(yù)期部位,并且有可能會(huì)造成細(xì)胞滲漏,導(dǎo)致骨贅的形成。因此,開(kāi)發(fā)一種具有良好的細(xì)胞相容性,可注射性,黏附性能的透明質(zhì)酸水凝膠有望進(jìn)一步增強(qiáng)細(xì)胞療法促進(jìn)髓核再生的效果。


  在自然界中,堿基廣泛存在于脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)中,并作為氫鍵的受體和供體,形成較強(qiáng)的氫鍵相互作用。受堿基間氫鍵的啟發(fā),天津大學(xué)劉文廣教授團(tuán)隊(duì)將核酸堿基(胸腺嘧啶-1-乙酸)引入透明質(zhì)酸側(cè)鏈,制備了一種胸腺嘧啶改性透明質(zhì)酸(HAT)。值得注意的是,在溶于水后,HAT之間的氫鍵作用驅(qū)動(dòng)其自發(fā)形成水凝膠,無(wú)需任何外加刺激或添加劑(圖2)。作為氫鍵驅(qū)動(dòng)的物理凝膠,HAT具有良好的水化能力(與25歲成年人髓核的水化能力相當(dāng))、剪切變稀行為、適當(dāng)?shù)牧W(xué)性能和自愈合性能 (圖3)HAT凝膠之間的多重物理相互作用如氫鍵,π-π堆積,疏水相互作用等也賦予了凝膠一定的組織黏附性。以上性能使HAT凝膠可作為一種干細(xì)胞遞送體系,通過(guò)微創(chuàng)方式將間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)無(wú)損注射到髓核部位。一方面,改善椎間盤(pán)的生物力學(xué)功能(壓縮失效應(yīng)力和應(yīng)力松弛能力);另一方面,粘結(jié)破碎的髓核組織,并使外源性干細(xì)胞牢固地保留在髓核部位,防止細(xì)胞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被擠出椎間盤(pán)從而造成骨贅的發(fā)生,加速椎間盤(pán)退變(圖4)。


  此外,為了進(jìn)一步改善退變性椎間盤(pán)部位的炎癥、氧化應(yīng)激以及酸性微環(huán)境,防止其對(duì)負(fù)載干細(xì)胞活性造成不利影響,本研究將無(wú)機(jī)納米粒子二氧化錳(MnO2)摻雜在凝膠中,構(gòu)建了HATMn-MSCs凝膠,通過(guò)清除ROS,調(diào)節(jié)細(xì)胞促炎和抗炎因子表達(dá),改善缺氧微環(huán)境來(lái)提高外源性干細(xì)胞的存活率,增強(qiáng)治療效果。大鼠尾椎穿刺模型結(jié)果表明,HATMn-MSCs凝膠能夠有效地促進(jìn)髓核組織的再生,防止骨贅的形成,抑制甚至逆轉(zhuǎn)椎間盤(pán)的退變(圖5)。 



1. HATMn-MSCs凝膠用于增強(qiáng)IVDD治療的示意圖


2. aHAT的核磁共振氫譜譜圖;(bHAT凝膠的凝膠機(jī)理;(cHATHA及酰肼化透明質(zhì)酸HA-HYD的倒置小瓶展示圖和流變表征;(eHAT凝膠在尿素中的凝膠行為;(f-h) HA/HA,HA-HYD/HA-HYDHAT/HAT間的密度泛函分析結(jié)果 


3. a-bHAT凝膠的自愈合性能展示及其對(duì)應(yīng)的流變學(xué);(cHAT凝膠的剪切變稀行為;(dHAT凝膠的黏附性能展示;(eHAT凝膠延展性 


4. a-bHAT凝膠能夠增加兔離體椎間盤(pán)的壓縮失效應(yīng)力;(cHAT凝膠能夠增強(qiáng)羊椎間盤(pán)的應(yīng)力松弛效果;(d-fHAT凝膠對(duì)NP組織的黏附性;(eHAT凝膠對(duì)豬皮的黏附強(qiáng)度 


5. a)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)流程圖;(b)大鼠尾椎的T2核磁圖像及pfirrmann評(píng)分;(c)不同時(shí)間點(diǎn)的大鼠尾椎CT掃描重建結(jié)果


  該工作目前發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上,論文的第一作者為天津大學(xué)材料學(xué)院博士生楊蓉,通訊作者為天津醫(yī)院楊強(qiáng)主任醫(yī)師和天津大學(xué)材料學(xué)院博士后徐子揚(yáng)、劉文廣教授。其中,劉文廣教授團(tuán)隊(duì)主要負(fù)責(zé)材料的設(shè)計(jì)、合成和表征工作,楊強(qiáng)主任醫(yī)師團(tuán)隊(duì)主要負(fù)責(zé)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)相關(guān)工作。工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202401232

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