Biomaterials | 4D蛋白质组学助力脊髓损伤后神经修复生物支架研制

精准医学与蛋白组学

2021.11.02

杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰学术 | 报道

组织工程技术是修复脊髓损伤（Spinal cord injury，SCI）的新策略之一，但同时兼具合适力学性能可对抗损伤后瘢痕收缩特质以及促神经发生效果的生物支架材料尚待开发。基于其良好的组织相容性，脱细胞脊髓（DSC）已被开发为脊髓组织工程的支架。然而将DSC单独植入脊髓会导致支架塌陷，并在植入部位出现明显的纤维化。

2021年10月19日，中山大学中山医学院曾湘研究员课题组在生物医学权威期刊Biomaterials(IF=12.479)发表题为Developing a mechanically matched decellularized spinal cord scaffold for the in situ matrix-based neural repair of spinal cord injury的最新研究成果。该研究报道了一种利用静电纺丝技术增强力学性能的脱细胞脊髓支架PLGA-DSC，具有良好机械匹配性和组织相容性，可用于实现脊髓损伤后植入部位原位神经组织工程修复的目标。景杰生物为该研究提供了高深度4D蛋白质组学技术分析。

曾湘团队之前研究表明，在明胶海绵（GS）支架上沉积聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）薄膜作为外层可以提高支架的力学性能。因此研究人员提出构建PLGA包埋DSC支架，提高天然脊髓基质的力学性能以修复SCI。研究利用化学抽提法去除成体大鼠脊髓组织中的细胞成分，蛋白组学分析显示脱细胞技术保留成体脊髓中众多的促再生性的细胞外基质，而硫酸软骨素蛋白多糖及髓鞘相关蛋白等抑制性成分则大部分被去除。在此基础上，利用静电纺丝技术将PLGA涂布到脱细胞脊髓外表面形成高分子聚合物薄层，以此构建电纺PLGA脱细胞脊髓支架材料（PLGA-DSC）。

图、研究的主要方法与结果模式图
进一步研究发现，脱细胞脊髓基质（DSCs）与神经干细胞（NSCs）具有良好的细胞相容性，并显著增强其向神经元的分化。运用4D蛋白质组学技术（质谱策略），比较来自E14大鼠的DSC支架（DSC，n=3）、胚胎脊髓（ESC，n=3）和来自250 g成年大鼠的脊髓（SC，n=3）之间蛋白质表达谱的变化（样本策略）。结果表明在神经发生相关正性和负性调控蛋白比例方面，DSC与胚胎脊髓组织相似，而与成体脊髓组织截然相反。促神经发生的基质成分，可显著地促进体外培养的NSCs以及植入到损伤脊髓后内源性的NSCs分化为神经元。

图、PLGA-DSC基质具有显著的促神经元发生特性
DSC基质这种促神经元发生的特性有赖于PLGA外壳的保护。由于PLGA外壳对细胞的不通透性及机械强化，植入大鼠全横断脊髓损伤区的PLGA-DSC支架，可显著地减少α-SMA阳性肌成纤维细胞侵入脱细胞脊髓支架内，并防止其分泌致密性的胶原纤维，从而创造了一个有利于SCI后内源性神经干细胞定向迁移、驻留和神经元分化的神经源性生态环境，使脱细胞脊髓支架在脊髓损伤区恶劣微环境中仍然能保持促神经发生的特性（下图）。而在无PLGA外壳的DSC支架移植组，由于大量肌成纤维细胞的浸润，DSC支架失去了促神经发生的特性，表现为明显减少的NSCs迁移与定植以及神经纤维的长入，取而代之的是以致密性胶原为特征的纤维瘢痕组织。

图、 PLGA-DSC支架对肌成纤维细胞浸润和致密胶原基质沉积的恢复力显著增强
除此以外，PLGA-DSC的免疫源性很低，植入到脊髓后还能促进M1型巨噬细胞（促炎型）向M2型巨噬细胞（促再生型）转变。这些因素综合在一起，使得PLGA-DSC最终能更好地促进脊髓损伤后结构与功能的修复。

综上所述，PLGA-DSC具有良好的对抗纤维瘢痕收缩，调控微环境，促内源性神经发生的特质，使其成为具有前景的脊髓损伤修复用新材料。本研究强调了生物支架材料力学性能对于维持再生微环境的重要性，对构建与损伤病理组织中力学性能匹配的生物材料具有指导意义。

论文第一作者为广州市第一人民医院马瑗锾副研究员，中山大学中山医学院曾湘研究员为该文章的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委重大项目（81891002、81891003）、青年项目（31600780、31900975），广东省自然科学基金（2020A0505100062、2018A030310110 、2020A1515011537），广东省科技计划项目（2017B020210012），广州市健康协同重大专项（201704020221）及中央高校青年教师基本科研业务费（19ykpy159、20ykpy156）的支持。

作者简介

中山大学中山医学院

曾湘研究员

中山大学医学博士, 哈佛医学院博士后。主要从事干细胞与组织工程技术修复中枢神经系统损伤的研究，以及生物材料与生物技术临床转化研究。在Biomaterials, Advanced Science, Bioactive materials等SCI学术期刊发表论文30余篇，累计他引>1000，H因子=20; 以及Springer出版专著3篇。兼任中国解剖学会青年工作委员会委员，中国研究型医院学会神经再生与修复专业委员会委员，国家自然科学基金评议专家、英国研究与创新署医学研究委员特邀评委、广东省科学技术厅科技咨询专家；Biomaterials、Bioactive Materials、J Neuroinflammation、Stem Cells Translational Medicine, Molecular Neurobiology，Neurospine等20多个国际期刊的编辑或审稿人。研究工作获AANS/CNS颁发的Mayfield奖励及广东省科学技术奖励二等奖。

2020-06-08

重建血管网络！Sci Adv | 南开大学黄兴禄/孔德领组人造3D干细胞，解决缺血损伤难题

2020-05-25

“乳”此重要 | 乳酸化修饰三连发，揭示乳酸化调控疾病发生新机制

2021-10-09

Blood+/PRM2 | 血液蛋白质组从发现到验证的全流程升级

2021-09-09

4D蛋白组学揭示SARS-CoV-2感染过程中的肺泡屏障损伤新机制

2021-10-20

Nature | 单细胞蛋白质组学的“王者”新时代

2021-10-14

参考文献

1. Yuan-Huan Ma, et al, 2021, Developing a mechanically matched decellularized spinal cord scaffold for the in situ matrix-based neural repair of spinal cord injury. Biomaterials.

本文由景杰学术团队报道，欢迎转发到朋友圈。如有转载、投稿等其他合作需求，请文章下方留言，或添加微信ptm-market咨询。