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王中林院士、蒲雄研究員AM:仿生水凝膠通過模擬內(nèi)源性生物電促進(jìn)軟骨再生

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關(guān)節(jié)軟骨損傷因其無(wú)血管、無(wú)神經(jīng)的特性,長(zhǎng)期以來(lái)一直是臨床修復(fù)的重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法如外源性電刺激或電活性材料往往難以模擬天然軟骨的內(nèi)源性離子電子生物電特性,導(dǎo)致修復(fù)效果有限。近年來(lái),生物電研究揭示軟骨在機(jī)械壓力下可產(chǎn)生離子電勢(shì),這一機(jī)制與細(xì)胞膜上的機(jī)械敏感離子通道(如Piezo1)密切相關(guān),為軟骨修復(fù)提供了新思路。

近日,中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、蒲雄研究員北京大學(xué)周永勝教授、勵(lì)爭(zhēng)教授合作成功開發(fā)出一種可植入的機(jī)械-離子電子水凝膠(MI-hydrogel),能夠在外力作用下模擬天然軟骨產(chǎn)生內(nèi)源性生物電,協(xié)同機(jī)械刺激促進(jìn)軟骨再生。該水凝膠不僅具有良好的生物相容性和穩(wěn)定性,還能在運(yùn)動(dòng)過程中激活Piezo1通道,調(diào)控代謝微環(huán)境,顯著增強(qiáng)軟骨細(xì)胞的分化和組織修復(fù)能力。相關(guān)論文以“Mechano-Iontronic Hydrogels Generating Biomimetic Endogenous Bioelectricity for Promoting Cartilage Regeneration”為題,發(fā)表在

Advanced Materials
上,論文第一作者為L(zhǎng)i Longwei。



圖1:機(jī)械-離子電子效應(yīng)促進(jìn)軟骨再生的示意圖 a) MI-hydrogel植入關(guān)節(jié)軟骨缺損處;b) MI-hydrogel中的機(jī)械-離子電子轉(zhuǎn)換機(jī)制;c) MI-hydrogel與其他組織修復(fù)方法的對(duì)比;d) 離子電子與機(jī)械刺激耦合作用下細(xì)胞內(nèi)代謝示意圖:Piezo1通道開放,促進(jìn)谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn),增強(qiáng)TCA循環(huán)。

研究人員首先通過對(duì)比天然軟骨與MI-hydrogel的發(fā)電機(jī)制,發(fā)現(xiàn)兩者均基于離子在非均勻變形下的遷移與極化產(chǎn)生電勢(shì)。MI-hydrogel由聚N-丙烯酰甘氨酰胺(PNAGA)網(wǎng)絡(luò)與生理鹽水構(gòu)成,其發(fā)電性能隨聚合物濃度和離子含量的增加而顯著提升。在30%壓縮應(yīng)變下,最佳配比的水凝膠可輸出7.9 mV電壓和120 nA電流,等效壓電系數(shù)高達(dá)72,500 pC N?1,且具備優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。


圖2:軟骨與MI-hydrogel中的機(jī)械-離子電子轉(zhuǎn)換 a) 軟骨(左)與MI-hydrogel(右)中機(jī)械-離子電子轉(zhuǎn)換的示意圖;b) 電信號(hào)測(cè)試裝置;c) 軟骨不同壓點(diǎn)處的電壓信號(hào);f) 不同MI-hydrogel的電信號(hào)輸出;d,g) COMSOL模擬的孔隙壓力分布;e,h) 電勢(shì)分布曲線;i) MI-hydrogel的等效壓電系數(shù);j) 循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試。

在體外實(shí)驗(yàn)中,研究人員將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)封裝于GelMA中,并施加80 kPa的周期性壓力以模擬關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。結(jié)果顯示,接受離子電子與機(jī)械雙重刺激的組別(I+ M+)在SOX9、COL2A1、ACAN等軟骨標(biāo)志基因和蛋白表達(dá)上顯著高于其他對(duì)照組,Piezo1通道的激活程度也明顯提升,表明MI-hydrogel能有效促進(jìn)軟骨分化。


圖3:壓力作用下BMSCs在MI-hydrogel中的軟骨分化 a) 體外機(jī)械刺激裝置示意圖;b) 免疫熒光染色顯示SOX9、COL2A1和Piezo1的表達(dá);c–e) 不同處理下SOX9、COL2A1和Piezo1的mRNA表達(dá)水平。

進(jìn)一步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)在大鼠膝關(guān)節(jié)軟骨缺損模型中進(jìn)行。植入MI-hydrogel并進(jìn)行跑步訓(xùn)練的大鼠(I+ M+組)在4周和8周后表現(xiàn)出更完整的軟骨和軟骨下骨再生,關(guān)節(jié)表面更光滑,植入物與原生組織融合更佳。Micro-CT分析顯示該組骨密度和骨體積分?jǐn)?shù)顯著提高,步態(tài)分析也證實(shí)其功能恢復(fù)更為良好。


圖4:MI-hydrogel植入促進(jìn)體內(nèi)軟骨再生 a) 大鼠實(shí)驗(yàn)流程與時(shí)間線;b,f) 4周和8周后缺損區(qū)域的宏觀視圖、H&E染色、SOFG染色和免疫熒光染色;c,d,g,h) 軟骨下骨骨密度(BMD)和骨體積分?jǐn)?shù)(BV/TV)的定量分析;e,i) 軟骨缺損愈合程度的量化。

代謝組學(xué)分析揭示,MI-hydrogel與運(yùn)動(dòng)耦合可顯著調(diào)控軟骨組織的代謝重編程。差異代謝物主要集中在谷氨酰胺代謝、三羧酸循環(huán)(TCA)和抗氧化途徑。其中,谷氨酸、α-酮戊二酸、谷胱甘肽等代謝物水平上升,而谷氨酰胺水平下降,表明能量代謝向TCA循環(huán)傾斜,支持軟骨細(xì)胞的合成代謝需求。


圖5:MI-hydrogel在軟骨中的代謝譜分析 a) 代謝組學(xué)實(shí)驗(yàn)示意圖;b) 各組代謝物統(tǒng)計(jì)表;c) 代謝物類別組成圓圖;d–f) 第4周差異代謝物的聚類熱圖;g–i) 第4周與第8周差異代謝物的Venn圖;j–l) 代謝物類別間的相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)圖。

機(jī)制研究表明,Piezo1的激活引起細(xì)胞內(nèi)鈣離子內(nèi)流,進(jìn)而激活CaMKII和谷氨酰胺酶1(GLS1),促進(jìn)谷氨酰胺分解為TCA循環(huán)中間體,為軟骨細(xì)胞提供能量和碳骨架。藥理學(xué)抑制Piezo1或GLS1均顯著削弱了MI-hydrogel的促軟骨再生效果,證實(shí)該通路在修復(fù)過程中的關(guān)鍵作用。


圖6:通過谷氨酰胺代謝促進(jìn)軟骨再生 a–d) 第4周和第8周I+ M+ vs I– M–組差異代謝物的火山圖和熱圖;e,f) 代謝集富集分析(MSEA);g–i) 代謝物相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)、弦圖和Spearman相關(guān)圖;j) 代表性代謝物的柱狀圖;k) 運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)的離子效應(yīng)誘導(dǎo)代謝重編程示意圖。

該項(xiàng)研究不僅首次實(shí)現(xiàn)了仿生內(nèi)源性生物電與機(jī)械刺激的協(xié)同作用,還揭示了其通過代謝重編程促進(jìn)軟骨再生的新機(jī)制。MI-hydrogel具備低感染風(fēng)險(xiǎn)、無(wú)需二次手術(shù)、使用便捷等優(yōu)勢(shì),為軟骨修復(fù)提供了一種新型治療策略。未來(lái),該技術(shù)有望拓展至其他組織工程領(lǐng)域,推動(dòng)再生醫(yī)學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展。

來(lái)源:高分子科學(xué)前沿

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