暨南大学AFM：纳米抗体水凝胶抑制胶质瘢痕形成，促进脊髓损伤恢复

胶质瘢痕在脊髓损伤（SCI）的病理生理学中的作用已被广泛认识，因为它们构成了对轴突再生的物理障碍，并通过释放细胞毒性因子引起持续的慢性炎症，从而阻碍神经修复。因此，防止胶质瘢痕形成已成为SCI管理中的一个重要治疗目标。SCI后，星形胶质细胞经历表型转变，成为形成瘢痕的星形胶质细胞，这一过程严重依赖于炎症反应的激活和整合素-N-钙粘附素途径。为了探索改进的SCI治疗方法，暨南大学附属第一医院林宏生/纪志盛&暨南大学薛巍/Xin Ji开发并表征了一种纳米拮抗剂水凝胶（Nano-ant Gel），它包含N-钙粘附素纳米拮抗剂和多酚水凝胶，旨在通过减轻炎症反应和调节星形胶质细胞的行为来抑制胶质瘢痕形成，从而促进脊髓损伤修复。该水凝胶表现出显著的抗炎特性、特定的钙离子吸附能力和对N-钙粘附素的拮抗作用，有效阻止了形成瘢痕的星形胶质细胞的形成和聚集。通过使用挫伤性SCI模型对其效果进行全面评估，结果表明它能有效抑制胶质瘢痕形成并促进轴突再生。值得注意的是，Nano-ant Gel显著改善了SCI小鼠的运动功能，表明它代表了一种有希望的治疗方法。该研究以题为“A N-Cadherin Nano-Antagonist Hydrogel Enhances Recovery From Spinal Cord Injury by Impeding Glial Scarring”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

方案 1 描述了Nano-ant Gel的设计原理和治疗机制：首先，阐释了Nano-ant Gel具有独特的二级结构，该结构得益于EG-AuNPs-ADH、TA（丹宁酸）和HA-PBA（2-氨基苯基硼酸修饰的透明质酸）之间的动态硼酸酯键；此外，还说明了Nano-ant Gel通过调节星形胶质细胞的行为和抑制炎症反应，进而保护神经元，减轻胶质瘢痕的形成，从而促进神经再生和运动功能的恢复。这一方案展示了Nano-ant Gel作为一种潜在的脊髓损伤治疗方法，其通过物理和化学手段相结合，有效抑制了胶质瘢痕的形成，并促进了损伤后的神经修复和功能恢复。

方案1. Nano-ant Gel开发及用于治疗脊髓损伤（SCI）的示意图

【EG-AuNPs-ADH复合物的表征】

通过透射电子显微镜图像和粒径与电位分析，确认了ADH-1功能化不影响金纳米粒子的形态和稳定性。EG-AuNPs-ADH显示出高效的抗氧化活性，能够显著抑制LPS处理的星形胶质细胞中的活性氧种类生成，并通过降低IL-6的表达水平抑制星形胶质细胞的激活。此外，EG-AuNPs-ADH能够抑制GFAP和nestin蛋白的表达，表明其可能抑制了原代星形胶质细胞向反应性星形胶质细胞的转化，并通过抑制N-cadherin的结合，阻碍了反应性星形胶质细胞向瘢痕形成星形胶质细胞的转变。这些结果表明EG-AuNPs-ADH作为一种N-cadherin纳米拮抗剂，能够有效抑制星形胶质细胞的活化和瘢痕形成。

图1. EG-AuNPs-ADH复合物的表征

【Nano-ant Gel的表征】

研究表明，Nano-ant Gel与空白凝胶相比，在频率扫描测试中显示出略高的储能模量（G'），这归因于EG-AuNPs-ADH的加入增加了与HA-PBA结合的邻苯二酚基团数量。Nano-ant Gel在振幅扫描测试中展现出比空白凝胶更高的临界应变，表明其具有更好的应变耐受性。通过宏观观察和流变学测试，证实了Nano-ant Gel具有出色的自愈合特性。扫描电子显微镜（SEM）图像显示了Nano-ant Gel独特的微孔结构，其孔径和形态在添加EG-AuNPs-ADH后发生了变化，显示出层级化的多孔结构。此外，Nano-ant Gel在压缩强度和吸水率方面均优于空白凝胶。钙离子吸附测试表明，Nano-ant Gel比空白凝胶具有更高的钙离子吸附能力，这可能有助于抑制胶质瘢痕的形成。最后，Nano-ant Gel显示出增强的抗氧化效果，并且在H₂O₂存在下表现出显著的活性氧响应性药物释放行为。这些结果综合表明，Nano-ant Gel作为一种具有潜在治疗脊髓损伤能力的纳米抗体水凝胶，具备了良好的力学性能、自愈合特性以及对细胞粘附和氧化应激反应的调控能力。

图2. Nano-ant Gel的表征

【Nano-ant Gel对胶质瘢痕形成和氧化的抑制效果】

图3展示了Nano-ant Gel在体外抑制胶质瘢痕形成和保护神经元方面的显著效果。该凝胶展现出强大的抗氧化能力，能够显著降低活性氧（ROS）水平，从而抑制星形胶质细胞的激活。共培养实验表明，与Nano-ant Gel共培养的星形胶质细胞保持了良好的细胞活性，并且该凝胶通过其出色的钙离子吸附能力显著减少了胶质细胞的粘附，有效阻碍了反应性星形胶质细胞（RAs）向瘢痕形成星形胶质细胞（SAs）的转化。此外，Nano-ant Gel降低了炎症性星形胶质细胞释放的抑制性因子，如软骨素硫酸蛋白聚糖（CSPG），并通过跨孔实验显示了对神经细胞的保护潜力，减轻了炎症性星形胶质细胞对神经细胞的损害。

图3. Nano-ant Gel对胶质瘢痕形成和氧化的抑制效果

【Nano-ant Gel在体内促进脊髓损伤后神经活动和运动功能恢复的效果】

图4通过将Nano-ant Gel注射到损伤部位，研究者观察到与对照组相比，经过Nano-ant Gel处理的SCI模型小鼠在急性和慢性恢复阶段的运动功能得到了显著改善，Basso鼠量表（BMS）评分显著提高。此外，组织学评估显示，EG-AuNPs-ADH和Nano-ant Gel处理组在损伤部位的损伤迹象明显减少，与未处理的损伤组相比，显示出更好的组织完整性。通过Luxol Fast Blue（LFB）染色评估轴突脱髓鞘情况，Nano-ant Gel组显示出所有组中最小的脱髓鞘区域。运动诱发电位（MEP）测试进一步证实了Nano-ant Gel对神经电传导的促进作用，与损伤组相比，Nano-ant Gel组的MEP信号幅度显著增加，潜伏期缩短。这些结果表明，Nano-ant Gel不仅能够促进SCI后的神经修复，还能显著提高运动功能的恢复。

图4.Nano-ant Gel在体内促进脊髓损伤后神经活动和运动功能恢复的效果

【Nano-ant Gel促进脊髓损伤后小鼠运动功能恢复的效果】

图5通过CatWalk步态分析和足迹实验，研究者发现与损伤组相比，Nano-ant Gel处理组小鼠的后肢接触面积显著增大，步态规律性指数得到改善，显示出更紧密的脚印排列和更长的步幅。特别是，Nano-ant Gel组在所有测试组中显示出最大的接触面积和最长的步幅，这表明Nano-ant Gel显著提高了小鼠的运动功能。

图5. Nano-ant Gel促进脊髓损伤后小鼠运动功能恢复的效果

【Nano-ant Gel在体内抑制脊髓损伤后胶质瘢痕形成的效果】

图6通过免疫组织化学染色，研究者观察到损伤组在损伤部位附近N-cadherin和GFAP表达显著增加，而ADH-1和空白凝胶组N-cadherin表达有所降低。特别是EG-AuNPs-ADH和Nano-ant Gel处理组显示出更低的N-cadherin表达水平，并伴随着更少的阳性区域。进一步检查GFAP阳性细胞在脊髓腔边缘的排列，发现EG-AuNPs-ADH和Nano-ant Gel组的胶质瘢痕减弱。此外，Nano-ant Gel几乎完全抑制了CSPG的富集，并且在损伤部位边缘的GFAP阳性细胞分布更为分散，缺乏胶质瘢痕。这些数据强调了Nano-ant Gel通过靶向N-cadherin调节，有效抑制胶质瘢痕形成，减少CSPG水平，对SCI后神经再生具有显著的促进作用。

图6. Nano-ant Gel在体内抑制脊髓损伤后胶质瘢痕形成的效果

【Nano-ant Gel促进脊髓损伤后小鼠神经再生的效果】

图7通过免疫荧光分析，研究者发现损伤组在损伤部位的神经丝（NF）染色强度显著降低，而EG-AuNPs-ADH和Nano-ant Gel处理组显示出NF染色强度的显著增加，特别是在Nano-ant Gel组中观察到更强的染色强度。此外，对5-羟色胺（5-HT）的免疫染色显示，仅在Nano-ant Gel组中发生了轴突再生，而其他组则没有观察到。这些结果强烈表明Nano-ant Gel通过抑制胶质瘢痕形成和调节炎症反应，有效促进了SCI后的轴突再生。

图7. Nano-ant Gel促进脊髓损伤后小鼠神经再生的效果

【小结】

该研究开发了一种名为Nano-ant Gel的纳米抗体水凝胶，它通过调节星形胶质细胞的行为和减轻炎症反应，有效抑制了胶质瘢痕的形成，从而促进了脊髓损伤（SCI）的修复。该水凝胶具有显著的抗炎特性、特定的钙离子吸附能力以及对N-cadherin表达的拮抗作用，能够有效阻止瘢痕形成星形胶质细胞（SAs）的形成和聚集。在细胞层面，Nano-ant Gel展现出增强的活性氧清除能力，预防氧化应激，提供神经保护，并抑制瘢痕形成。通过动物模型的脊髓损伤实验，Nano-ant Gel有助于恢复运动功能和神经电生理活动，减轻胶质瘢痕和炎症反应，并促进了挫伤性SCI模型中的神经再生。总之，这项研究开发的纳米水凝胶以其独特的丝状结构和在有效抑制胶质瘢痕形成及抗炎效果方面的显著效率，代表了一种有前景的治疗SCI的临床方法。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202404563