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中科院深圳先進(jìn)院杜學(xué)敏團(tuán)隊(duì) Matter:活性界面材料精準(zhǔn)調(diào)控外泌體分泌促血管神經(jīng)協(xié)同修復(fù)
2024-11-22  來源:高分子科技

  血管神經(jīng)協(xié)同修復(fù)是組織工程與再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究面臨的重大挑戰(zhàn)。血管神經(jīng)再生修復(fù)的生理進(jìn)程極為復(fù)雜,要求在不同階段,通過外泌體介導(dǎo)的細(xì)胞間通訊,實(shí)現(xiàn)對血管內(nèi)皮細(xì)胞、神經(jīng)元等細(xì)胞的多靶點(diǎn)、階段特異調(diào)控。近年來,基于外泌體的促再生修復(fù)策略受到了廣泛的關(guān)注。然而,現(xiàn)有策略面臨外泌體壽命短(僅24~4小時)、劑量低以及具有特異性細(xì)胞調(diào)控功能的miRNA不可變等挑戰(zhàn),仍難以再現(xiàn)天然生理過程中復(fù)雜、動態(tài)的調(diào)控進(jìn)程,嚴(yán)重限制了其在血管神經(jīng)協(xié)同修復(fù)方面的應(yīng)用。


  1121日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì),在精準(zhǔn)調(diào)控外泌體分泌活性界面材料方面取得重要研究進(jìn)展。相關(guān)成果以“A ferroelectric living interface for fine-tuned exosome secretion toward physiology-mimetic neurovascular remodeling”為題,發(fā)表在Cell Press旗下旗艦期刊Matter上。該活性界面材料(LIFES)結(jié)合聚偏氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))基智能高分子復(fù)合材料層與間充質(zhì)干細(xì)胞的活細(xì)胞層,通過復(fù)合材料層的拓?fù)浜碗娦盘枌﹂g充質(zhì)干細(xì)胞的調(diào)控,不但實(shí)現(xiàn)了外泌體的持久(約192小時)、大量(提升約8倍)釋放,并且可在血管神經(jīng)修復(fù)的不同階段調(diào)控外泌體中的miRNA(前期促血管生成、后期促神經(jīng)再生),模擬天然血管神經(jīng)修復(fù)過程中的階段特異調(diào)控作用,從而有效促進(jìn)活體血管神經(jīng)的協(xié)同修復(fù),在智能生物醫(yī)用材料與器械領(lǐng)域有著重大應(yīng)用前景。


  研究團(tuán)隊(duì)基于在P(VDF-TrFE)基智能高分子材料方面的研究基礎(chǔ)(Advanced Materials, 2017, 29, 1702231; Science Advances, 2022, 8, eabp9369; National Science Review, 2023, 10, nwac164; Device, 2024, 2, 100465),構(gòu)建了由P(VDF-TrFE)基智能高分子復(fù)合材料層和活細(xì)胞層組成LIFES。其中復(fù)合材料層為具有納米槽表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的P(VDF-TrFE)薄膜,可提供用于間充質(zhì)細(xì)胞調(diào)控的拓?fù)?/span>壓電和光熱釋電信號;而間充質(zhì)干細(xì)胞的活細(xì)胞層則用于實(shí)現(xiàn)外泌體的持久分泌。在與細(xì)胞牽引力相當(dāng)?shù)膲毫ο拢s10 nN),LIFES的復(fù)合材料層可產(chǎn)生約30 pA的壓電電流;與此同時,LIFES的復(fù)合材料層在500 ms的短脈沖近紅外(NIR)光照射下,可產(chǎn)生電壓高達(dá)23 V的光致電場。LIFES復(fù)合材料層的拓?fù)?/span>結(jié)構(gòu)和電性能賦予了其強(qiáng)大的細(xì)胞調(diào)控能力(圖1)。


促血管神經(jīng)協(xié)同修復(fù)的LIFES設(shè)計(jì)LIFESP(VDF-TrFE)基智能高分子復(fù)合材料層和活細(xì)胞層組成,其中復(fù)合材料可提供用于細(xì)胞調(diào)控的拓?fù)、壓電和光熱釋電信號?/span>


  基于其獨(dú)特的拓?fù)湫盘?/span>,LIFES的復(fù)合材料層可有效引導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞定向取向,進(jìn)而引發(fā)細(xì)胞骨架蛋白重排、核形態(tài)重塑和基因表達(dá)改變,促進(jìn)細(xì)胞向特定表型分化;在拓?fù)?/span>和壓電信號的協(xié)同引導(dǎo)下,LIFES復(fù)合材料層可促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞向神經(jīng)樣細(xì)胞的分化;此外,LIFES復(fù)合材料層在NIR照射下產(chǎn)生的光熱釋電信號還能激發(fā)間充質(zhì)干細(xì)胞的電生理響應(yīng),引發(fā)鈣離子內(nèi)流。LIFES復(fù)合材料層展現(xiàn)了強(qiáng)大的細(xì)胞調(diào)控能力,可促進(jìn)外泌體的生成與分泌(圖2)。


2 LIFES的復(fù)合材料層對間充質(zhì)干細(xì)胞的調(diào)控。(a-c)復(fù)合材料層的取向結(jié)構(gòu)引導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞定向排列。(d-f)拓?fù)湫盘枀f(xié)同壓電信號促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞神經(jīng)樣分化。(g-o)光熱釋電信號激發(fā)間充質(zhì)干細(xì)胞的電生理響應(yīng),引發(fā)鈣離子內(nèi)流。


  LIFES不但可實(shí)現(xiàn)活性外泌體長達(dá)192小時的持久釋放,并且實(shí)現(xiàn)了在不同階段對釋放外泌體中miRNA類型的特異性調(diào)控:5天分泌富含抗炎和促血管生成miRNA的外泌體,自第5天起轉(zhuǎn)為分泌富含促神經(jīng)生成miRNA的外泌體。進(jìn)而,還可通過NIR介導(dǎo)的光熱釋電信號,實(shí)現(xiàn)LIFES外泌體分泌量的顯著上調(diào)(增加約8倍)。LIFES外泌體分泌精準(zhǔn)調(diào)控重現(xiàn)了血管神經(jīng)再生修復(fù)生理過程中多靶點(diǎn)、階段特異的天然調(diào)控作用,有望促進(jìn)血管神經(jīng)的協(xié)同修復(fù)(圖3)。


3 LIFES外泌體分泌的精準(zhǔn)調(diào)控。(a-c)第一階段(0~5天)促進(jìn)富含抗炎和促血管生成miRNA外泌體的分泌。(d-f)第一階段(6~8天)促進(jìn)富含促神經(jīng)再生miRNA外泌體的分泌。(gLIFES可模擬生理過程中外泌體多靶點(diǎn)、階段特異的天然調(diào)控作用。


  通過轉(zhuǎn)錄組分析,研究進(jìn)一步揭示了LIFES精準(zhǔn)調(diào)控外泌體分泌的機(jī)制:在第一階段0~5天),LIFES通過復(fù)合材料層的拓?fù)浜蛪弘娦盘枺?/span>激活了間充質(zhì)干細(xì)胞的MAPK/ERKPI3K/AKT信號通路,進(jìn)而調(diào)控了其表型和外泌體分泌;在第二階段6~8天),LIFES則主要通過光熱釋電信號激活間充質(zhì)干細(xì)胞的鈣離子信號通路與溫度響應(yīng)相關(guān)信號通路,調(diào)控外泌體分泌。以上信號通路的順序激活賦予了LIFES獨(dú)特的精準(zhǔn)調(diào)控外泌體分泌能力(圖4)。


4 LIFES外泌體分泌精準(zhǔn)調(diào)控的機(jī)制。(a-d第一階段0~5天),拓?fù)浜蛪弘娦盘?/span>激活MAPK/ERKPI3K/AKT信號通路。(e-f第二階段6~8天),光熱釋電信號激活鈣離子信號通路與溫度響應(yīng)相關(guān)信號通路。


  通過精準(zhǔn)調(diào)控的外泌體分泌,LIFES在體外實(shí)現(xiàn)了卓越的促血管生成與神經(jīng)生長效果(圖5。在血管神經(jīng)修復(fù)的第一階段,LIFES通過分泌的富含促血管生成miRNA的外泌體,可加速內(nèi)皮細(xì)胞的遷移,并促進(jìn)毛細(xì)血管樣網(wǎng)絡(luò)形成;在第二階段,LIFES通過分泌的富含促神經(jīng)生長miRNA的外泌體,促進(jìn)了神經(jīng)模式細(xì)胞的分化和伸長,并上調(diào)突觸發(fā)育相關(guān)蛋白Syn和神經(jīng)遞質(zhì)合成關(guān)鍵酶TH的表達(dá),顯示了其在促神經(jīng)生長和神經(jīng)間連接方面的潛力。


5 LIFES促血管神經(jīng)修復(fù)的體外評價。(a-f)促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞遷移及毛細(xì)血管樣網(wǎng)絡(luò)形成。(g-l)促進(jìn)神經(jīng)生長和神經(jīng)間連接。


  在大鼠糖尿病傷口模型中,LIFES同樣展現(xiàn)卓越的血管神經(jīng)協(xié)同修復(fù)的能力(圖6)。在組織修復(fù)的炎癥-增殖階段,LIFES有效促進(jìn)了傷口處新生毛細(xì)血管的形成,縮短了炎癥期;在重塑和熟化階段,LIFES進(jìn)一步促進(jìn)了傷口處的神經(jīng)生成,并通過對血管-神經(jīng)信號交互的增強(qiáng),大大加速了難修復(fù)糖尿病傷口的無疤痕愈合,并且實(shí)現(xiàn)了毛囊和腺體等功能性皮膚附屬結(jié)構(gòu)的更好再生。本研究提出的LIFES不但有助于推動解決血管神經(jīng)協(xié)同修復(fù)這一組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大難題,并且有望促進(jìn)下一代智能生物醫(yī)用材料與器械的發(fā)展。


LIFES加速糖尿病傷口血管神經(jīng)協(xié)同修復(fù)。(a-c)加速糖尿病傷口的無疤痕愈合。(d-f)促進(jìn)糖尿病傷口的血管神經(jīng)協(xié)同修復(fù)。(g-h)改善毛囊和腺體等功能性皮膚附屬結(jié)構(gòu)的再生。


  中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學(xué)敏研究員為該論文的通訊作者,博士研究生彭明星、趙啟龍副研究員為共同第一作者,深圳理工大學(xué)生命健康學(xué)院王玉田教授、柴安平博士以及香港大學(xué)機(jī)械工程系王敏教授為該論文共同作者,在研究中給予了大量幫助。


  該論文獲得國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、廣東省重點(diǎn)、深圳市杰青和深圳市醫(yī)學(xué)研究基金等科技項(xiàng)目支持。


  團(tuán)隊(duì)長期招聘博士后,歡迎將簡歷發(fā)送至:xm.du@siat.ac.cn


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  原文鏈接:https://pan.baidu.com/s/1EI2A9Hq400q45OmX8kBl1w?pwd=726n


  下載:A ferroelectric living interface for fine-tuned exosome secretion toward physiology-mimetic neurovascular remodeling

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