摘要：腦損傷的干細(xì)胞治療一個(gè)關(guān)鍵是待治療部位缺少血液輸送氧氣維持移植細(xì)胞代謝。墨爾本大學(xué)開發(fā)了一種添加血紅蛋白的水凝膠能夠讓干細(xì)胞存活足夠長(zhǎng)的時(shí)間維持恰好的氧水平，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明新凝膠能顯著提高小鼠的腦損傷部位的移植干細(xì)胞生存分化。
墨爾本大學(xué)和澳大利亞國(guó)立大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新的“混合”水凝膠，可以讓臨床醫(yī)生安全地將干細(xì)胞輸送到小鼠的腦損傷部位，文章發(fā)表在《Nature Communications》。這一概念驗(yàn)證突破解決了干細(xì)胞研究人員自20世紀(jì)80年代以來(lái)面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)——讓干細(xì)胞存活足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使它們能夠在被注入身體受損部位后能分化生成新組織所需的細(xì)胞。
圖1 研究人員開發(fā)了新的水凝膠可以安全地將干細(xì)胞輸送到小鼠的腦損傷部位
水凝膠是一種水基凝膠，可用于將物質(zhì)輸送到體內(nèi)，并可用于促進(jìn)新細(xì)胞的有效生長(zhǎng)。文章中這種新型的水凝膠能為干細(xì)胞提供氧氣，以保持干細(xì)胞在注射過程中存活，并確保干細(xì)胞分化成創(chuàng)造新組織以修復(fù)損傷所需的細(xì)胞類型。研究人員認(rèn)為，這一進(jìn)展將有利于包括大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)在內(nèi)的身體許多部位的干細(xì)胞治療。
用于遞送、支持和整合干細(xì)胞的可注射生物材料在組織再生方面具有重要前景，因?yàn)樗鼈兛梢钥焖儆行У靥畛浯委煵课坏目障叮源_保良好的組織接觸。在調(diào)整這些材料的物理化學(xué)性質(zhì)以適應(yīng)基于附著的細(xì)胞所需要的參數(shù)方面，已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。但是由于注射部位一般缺乏血管化，移植細(xì)胞依賴于通過組織擴(kuò)散到移植物部位的氧氣生存。這對(duì)于需要不斷進(jìn)行代謝的活細(xì)胞來(lái)說是一個(gè)顯著限制，尤其是當(dāng)它們?cè)谧匀谎苌蓹C(jī)制開始之前的重要早期階段迫切需要氧氣持時(shí)，這顯著限制了任何修復(fù)大范圍缺損的嘗試。事實(shí)上，已有研究表明，在缺氧或缺血環(huán)境中，神經(jīng)元存活率降低。然而，這一技術(shù)挑戰(zhàn)非常重大，因?yàn)殡m然低氧水平(低于2%)可導(dǎo)致細(xì)胞死亡，但顯然高氧水平也可能誘導(dǎo)破壞性效應(yīng)。除了呼吸和能量產(chǎn)生需要氧氣之外，氧氣還是定義細(xì)胞命運(yùn)的過程(如中樞神經(jīng)系統(tǒng)[CNS]細(xì)胞前體細(xì)胞的凋亡和分化)的重要信號(hào)分子。據(jù)了解，腦內(nèi)氧化應(yīng)激的主要促發(fā)因素是細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)水平升高，而ROS已被證明可促進(jìn)少突膠質(zhì)細(xì)胞和其他CNS衍生物的凋亡。理想范圍內(nèi)的氧穩(wěn)態(tài)水平對(duì)神經(jīng)元祖細(xì)胞的生存、增殖和分化至關(guān)重要。
圖2 本研究中檢測(cè)了不同的肌紅蛋白變體
在體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，釋氧生物材料已成為新型工程組織中細(xì)胞代謝的非血管支持的新方式。大部分注意力都集中在使用過氧化氫(H2O2)來(lái)控制和延長(zhǎng)氧氣輸送，但H2O2的存在可能導(dǎo)致自由基的產(chǎn)生增加，盡管這可以在一定程度上通過在多組分系統(tǒng)中摻入酶(如過氧化氫酶)來(lái)克服。氟化化合物，特別是全氟化碳(pfc)，由于其具有生物惰性且易于溶解氧氣，已被探索用作生物材料中的釋氧佐劑。盡管PFC功能化生物材料具有潛力，但它們無(wú)法在血管化之前的時(shí)間內(nèi)維持氧水平是一個(gè)顯著的缺陷。另一種方法是利用天然存在的氧結(jié)合蛋白，如肌紅蛋白(Mb)，將氧直接運(yùn)輸?shù)浇M織。Mb已被用于在軟骨組織工程過程中刺激干細(xì)胞的氧合。這一解決方案為臨床可轉(zhuǎn)化的治療提供了更有前景的途徑，因?yàn)镸b可促進(jìn)氧氣沿氧分壓梯度運(yùn)輸，從而充當(dāng)氧氣儲(chǔ)存庫(kù)。Mb在高氧濃度下通過輔基血紅素有效結(jié)合氧氣(形成氧合肌紅蛋白)，并在低氧條件下釋放氧氣(產(chǎn)生脫氧肌紅蛋白)，例如代謝活動(dòng)增加期間的情況。雖然蛋白(如Mb)在改善細(xì)胞移植結(jié)局方面具有顯著潛力，但不能簡(jiǎn)單地將其注射到干細(xì)胞移植物的特定部位來(lái)影響細(xì)胞命運(yùn)，因?yàn)樗鼈儠?huì)迅速降解并彌散離開病灶部位，而需要連續(xù)輸入。
研究人員于是嘗試在一種已被證實(shí)具有干細(xì)胞輸送能力的水凝膠中加入肌紅蛋白來(lái)結(jié)合和釋放氧氣。經(jīng)過五年的研究，研究小組發(fā)現(xiàn)，一種基于肌紅蛋白的合成蛋白質(zhì)——在抹香鯨和馬的心肌中高濃度存在的一種天然蛋白質(zhì)——添加到水凝膠中，提供了確保干細(xì)胞在輸送過程中存活下來(lái)并發(fā)育成修復(fù)腦組織所需的細(xì)胞類型所需的持續(xù)氧氣釋放。鯨魚和其他深潛動(dòng)物被認(rèn)為在它們的肌肉組織中進(jìn)化出了高濃度的肌紅蛋白，這樣它們就可以在潛水時(shí)慢慢地吸收盡可能多的氧氣。同樣，馬被認(rèn)為進(jìn)化出了更高濃度的肌紅蛋白，因此它們可以跑更遠(yuǎn)的距離。
小鼠實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新型水凝膠應(yīng)用于移植物部位時(shí)，可以顯著提高CNS內(nèi)干細(xì)胞移植技術(shù)的療效，促進(jìn)移植的皮質(zhì)神經(jīng)干細(xì)胞在腦內(nèi)的長(zhǎng)期存活和整合。這些結(jié)果是在遭受醫(yī)源性損傷的破壞腦組織中取得的。體內(nèi)移植后28天的組織學(xué)分析顯示，與無(wú)Mb水凝膠相比，移植的神經(jīng)干細(xì)胞存活率顯著提高，并向成熟神經(jīng)元分化。研究人員觀察到Mb存在時(shí)內(nèi)源性組織的廣泛神經(jīng)支配，這首次證明了在功能性水凝膠中結(jié)合生物吸入氧輸送，對(duì)協(xié)同促進(jìn)干細(xì)胞移植的長(zhǎng)期存活和整合具有重要意義。最后，通過使用不同氧親和力的Mb突變體，他們證明了氧釋放與功能整合相關(guān)，為實(shí)驗(yàn)觀察提供了分子解釋。這代表了一種開發(fā)組織模擬、易于注射的納米材料的普遍策略，具有多種應(yīng)用，包括在細(xì)胞移植、基因和藥物遞送、3D體外疾病模型和芯片器官技術(shù)。
圖3 在SAP中摻入肌紅蛋白可提高移植物存活率和移植物神經(jīng)支配
墨爾本大學(xué)教授Clare Parish負(fù)責(zé)進(jìn)行小鼠實(shí)驗(yàn)，他說，這一結(jié)果是在受傷的腦組織中取得的，這增加了培養(yǎng)新組織用于未來(lái)人類治療的可能性。“我們看到，含有肌紅蛋白和干細(xì)胞的水凝膠修復(fù)了受傷的腦組織。在水凝膠注入后28天的分析顯示，與不含肌紅蛋白的水凝膠相比，健康大腦功能所需的新干細(xì)胞的存活率和生長(zhǎng)顯著提高。”“我們觀察到，新組織可以以類似于健康腦組織的方式受到刺激，這首次證明了在水凝膠中加入氧氣輸送以實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞移植的長(zhǎng)期存活和整合的好處。”
開發(fā)水凝膠的團(tuán)隊(duì)由墨爾本大學(xué)教授David Nisbet、澳大利亞國(guó)立大學(xué)(ANU)教授Colin Jackson領(lǐng)導(dǎo)。Nisbet教授說:“在中風(fēng)等受傷后，大腦中有一個(gè)死亡區(qū)域，包括其中的循環(huán)系統(tǒng)。所以，我們需要一個(gè)臨時(shí)的血液供應(yīng)來(lái)支持細(xì)胞，直到血液系統(tǒng)修復(fù)。這種專利水凝膠提供了這一點(diǎn)。
Jackson教授說:“概念證明現(xiàn)已在小鼠大腦中得到證實(shí)，但這項(xiàng)研究代表了開發(fā)可注射納米材料的廣泛策略，用于各種應(yīng)用，包括細(xì)胞移植、基因和藥物傳遞、3D體外疾病模型和器官芯片技術(shù)。”“很少有藥物治療可以治療中風(fēng)或帕金森病等疾病，而且效果甚微。目前還沒有可以逆轉(zhuǎn)這些狀況的治療方法。”這一突破將引起全球研究人員和臨床醫(yī)生的興趣，并可能導(dǎo)致許多革命性的醫(yī)療方法。
參考資料：
[1] Hydrogel oxygen reservoirs increase functional integration of neural stem cell grafts by meeting metabolic demands
摘要：腦損傷的干細(xì)胞治療一個(gè)關(guān)鍵是待治療部位缺少血液輸送氧氣維持移植細(xì)胞代謝。墨爾本大學(xué)開發(fā)了一種添加血紅蛋白的水凝膠能夠讓干細(xì)胞存活足夠長(zhǎng)的時(shí)間維持恰好的氧水平，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明新凝膠能顯著提高小鼠的腦損傷部位的移植干細(xì)胞生存分化。
墨爾本大學(xué)和澳大利亞國(guó)立大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新的“混合”水凝膠，可以讓臨床醫(yī)生安全地將干細(xì)胞輸送到小鼠的腦損傷部位，文章發(fā)表在《Nature Communications》。這一概念驗(yàn)證突破解決了干細(xì)胞研究人員自20世紀(jì)80年代以來(lái)面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)——讓干細(xì)胞存活足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使它們能夠在被注入身體受損部位后能分化生成新組織所需的細(xì)胞。
圖1 研究人員開發(fā)了新的水凝膠可以安全地將干細(xì)胞輸送到小鼠的腦損傷部位
水凝膠是一種水基凝膠，可用于將物質(zhì)輸送到體內(nèi)，并可用于促進(jìn)新細(xì)胞的有效生長(zhǎng)。文章中這種新型的水凝膠能為干細(xì)胞提供氧氣，以保持干細(xì)胞在注射過程中存活，并確保干細(xì)胞分化成創(chuàng)造新組織以修復(fù)損傷所需的細(xì)胞類型。研究人員認(rèn)為，這一進(jìn)展將有利于包括大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)在內(nèi)的身體許多部位的干細(xì)胞治療。
用于遞送、支持和整合干細(xì)胞的可注射生物材料在組織再生方面具有重要前景，因?yàn)樗鼈兛梢钥焖儆行У靥畛浯委煵课坏目障叮源_保良好的組織接觸。在調(diào)整這些材料的物理化學(xué)性質(zhì)以適應(yīng)基于附著的細(xì)胞所需要的參數(shù)方面，已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。但是由于注射部位一般缺乏血管化，移植細(xì)胞依賴于通過組織擴(kuò)散到移植物部位的氧氣生存。這對(duì)于需要不斷進(jìn)行代謝的活細(xì)胞來(lái)說是一個(gè)顯著限制，尤其是當(dāng)它們?cè)谧匀谎苌蓹C(jī)制開始之前的重要早期階段迫切需要氧氣持時(shí)，這顯著限制了任何修復(fù)大范圍缺損的嘗試。事實(shí)上，已有研究表明，在缺氧或缺血環(huán)境中，神經(jīng)元存活率降低。然而，這一技術(shù)挑戰(zhàn)非常重大，因?yàn)殡m然低氧水平(低于2%)可導(dǎo)致細(xì)胞死亡，但顯然高氧水平也可能誘導(dǎo)破壞性效應(yīng)。除了呼吸和能量產(chǎn)生需要氧氣之外，氧氣還是定義細(xì)胞命運(yùn)的過程(如中樞神經(jīng)系統(tǒng)[CNS]細(xì)胞前體細(xì)胞的凋亡和分化)的重要信號(hào)分子。據(jù)了解，腦內(nèi)氧化應(yīng)激的主要促發(fā)因素是細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)水平升高，而ROS已被證明可促進(jìn)少突膠質(zhì)細(xì)胞和其他CNS衍生物的凋亡。理想范圍內(nèi)的氧穩(wěn)態(tài)水平對(duì)神經(jīng)元祖細(xì)胞的生存、增殖和分化至關(guān)重要。
圖2 本研究中檢測(cè)了不同的肌紅蛋白變體
在體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，釋氧生物材料已成為新型工程組織中細(xì)胞代謝的非血管支持的新方式。大部分注意力都集中在使用過氧化氫(H2O2)來(lái)控制和延長(zhǎng)氧氣輸送，但H2O2的存在可能導(dǎo)致自由基的產(chǎn)生增加，盡管這可以在一定程度上通過在多組分系統(tǒng)中摻入酶(如過氧化氫酶)來(lái)克服。氟化化合物，特別是全氟化碳(pfc)，由于其具有生物惰性且易于溶解氧氣，已被探索用作生物材料中的釋氧佐劑。盡管PFC功能化生物材料具有潛力，但它們無(wú)法在血管化之前的時(shí)間內(nèi)維持氧水平是一個(gè)顯著的缺陷。另一種方法是利用天然存在的氧結(jié)合蛋白，如肌紅蛋白(Mb)，將氧直接運(yùn)輸?shù)浇M織。Mb已被用于在軟骨組織工程過程中刺激干細(xì)胞的氧合。這一解決方案為臨床可轉(zhuǎn)化的治療提供了更有前景的途徑，因?yàn)镸b可促進(jìn)氧氣沿氧分壓梯度運(yùn)輸，從而充當(dāng)氧氣儲(chǔ)存庫(kù)。Mb在高氧濃度下通過輔基血紅素有效結(jié)合氧氣(形成氧合肌紅蛋白)，并在低氧條件下釋放氧氣(產(chǎn)生脫氧肌紅蛋白)，例如代謝活動(dòng)增加期間的情況。雖然蛋白(如Mb)在改善細(xì)胞移植結(jié)局方面具有顯著潛力，但不能簡(jiǎn)單地將其注射到干細(xì)胞移植物的特定部位來(lái)影響細(xì)胞命運(yùn)，因?yàn)樗鼈儠?huì)迅速降解并彌散離開病灶部位，而需要連續(xù)輸入。
研究人員于是嘗試在一種已被證實(shí)具有干細(xì)胞輸送能力的水凝膠中加入肌紅蛋白來(lái)結(jié)合和釋放氧氣。經(jīng)過五年的研究，研究小組發(fā)現(xiàn)，一種基于肌紅蛋白的合成蛋白質(zhì)——在抹香鯨和馬的心肌中高濃度存在的一種天然蛋白質(zhì)——添加到水凝膠中，提供了確保干細(xì)胞在輸送過程中存活下來(lái)并發(fā)育成修復(fù)腦組織所需的細(xì)胞類型所需的持續(xù)氧氣釋放。鯨魚和其他深潛動(dòng)物被認(rèn)為在它們的肌肉組織中進(jìn)化出了高濃度的肌紅蛋白，這樣它們就可以在潛水時(shí)慢慢地吸收盡可能多的氧氣。同樣，馬被認(rèn)為進(jìn)化出了更高濃度的肌紅蛋白，因此它們可以跑更遠(yuǎn)的距離。
小鼠實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新型水凝膠應(yīng)用于移植物部位時(shí)，可以顯著提高CNS內(nèi)干細(xì)胞移植技術(shù)的療效，促進(jìn)移植的皮質(zhì)神經(jīng)干細(xì)胞在腦內(nèi)的長(zhǎng)期存活和整合。這些結(jié)果是在遭受醫(yī)源性損傷的破壞腦組織中取得的。體內(nèi)移植后28天的組織學(xué)分析顯示，與無(wú)Mb水凝膠相比，移植的神經(jīng)干細(xì)胞存活率顯著提高，并向成熟神經(jīng)元分化。研究人員觀察到Mb存在時(shí)內(nèi)源性組織的廣泛神經(jīng)支配，這首次證明了在功能性水凝膠中結(jié)合生物吸入氧輸送，對(duì)協(xié)同促進(jìn)干細(xì)胞移植的長(zhǎng)期存活和整合具有重要意義。最后，通過使用不同氧親和力的Mb突變體，他們證明了氧釋放與功能整合相關(guān)，為實(shí)驗(yàn)觀察提供了分子解釋。這代表了一種開發(fā)組織模擬、易于注射的納米材料的普遍策略，具有多種應(yīng)用，包括在細(xì)胞移植、基因和藥物遞送、3D體外疾病模型和芯片器官技術(shù)。
圖3 在SAP中摻入肌紅蛋白可提高移植物存活率和移植物神經(jīng)支配
墨爾本大學(xué)教授Clare Parish負(fù)責(zé)進(jìn)行小鼠實(shí)驗(yàn)，他說，這一結(jié)果是在受傷的腦組織中取得的，這增加了培養(yǎng)新組織用于未來(lái)人類治療的可能性。“我們看到，含有肌紅蛋白和干細(xì)胞的水凝膠修復(fù)了受傷的腦組織。在水凝膠注入后28天的分析顯示，與不含肌紅蛋白的水凝膠相比，健康大腦功能所需的新干細(xì)胞的存活率和生長(zhǎng)顯著提高。”“我們觀察到，新組織可以以類似于健康腦組織的方式受到刺激，這首次證明了在水凝膠中加入氧氣輸送以實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞移植的長(zhǎng)期存活和整合的好處。”
開發(fā)水凝膠的團(tuán)隊(duì)由墨爾本大學(xué)教授David Nisbet、澳大利亞國(guó)立大學(xué)(ANU)教授Colin Jackson領(lǐng)導(dǎo)。Nisbet教授說:“在中風(fēng)等受傷后，大腦中有一個(gè)死亡區(qū)域，包括其中的循環(huán)系統(tǒng)。所以，我們需要一個(gè)臨時(shí)的血液供應(yīng)來(lái)支持細(xì)胞，直到血液系統(tǒng)修復(fù)。這種專利水凝膠提供了這一點(diǎn)。
Jackson教授說:“概念證明現(xiàn)已在小鼠大腦中得到證實(shí)，但這項(xiàng)研究代表了開發(fā)可注射納米材料的廣泛策略，用于各種應(yīng)用，包括細(xì)胞移植、基因和藥物傳遞、3D體外疾病模型和器官芯片技術(shù)。”“很少有藥物治療可以治療中風(fēng)或帕金森病等疾病，而且效果甚微。目前還沒有可以逆轉(zhuǎn)這些狀況的治療方法。”這一突破將引起全球研究人員和臨床醫(yī)生的興趣，并可能導(dǎo)致許多革命性的醫(yī)療方法。
參考資料：
[1] Hydrogel oxygen reservoirs increase functional integration of neural stem cell grafts by meeting metabolic demands
