創(chuàng)傷性腦損傷(TBI)是棘手的臨床和公共衛(wèi)生問題,它顯著增加了患阿爾茨海默病和帕金森病的風險。構建擬態(tài)矩陣并施加適當的刺激信號來誘導神經再生被認為是最有效的策略之一。
動態(tài)變化的機械線索,通過不斷協(xié)調細胞行為參與中樞神經或周圍神經的發(fā)育。盡管對機械線索的研究取得了一些進展,但關于細胞生態(tài)位的動態(tài)機械調節(jié)影響干細胞神經分化的分子機制,仍有許多未知數。由于腦組織的天然低模量 (< 10 kPa),基體力學的單向硬化調制是不可取的,而可重復的振動調節(jié)是可取的。因此,一種新穎有效的加載動態(tài)機械振動的縱方式也備受期待。此外,及時方便地調節(jié)細胞生態(tài)位的機械線索仍然具有挑戰(zhàn)性。
針對上述問題,四川大學生物醫(yī)學工程學院范紅松教授團隊開發(fā)了一種能夠可逆調整剛度變化的磁性縱水凝膠平臺,以研究磁性介導的細胞生態(tài)位機械調節(jié)對骨間充質干細胞(BMSC)神經分化的影響。制備了由膠原蛋白(Col)和雙改性透明質酸(DHA)組成的雙交聯(lián)水凝膠,以提供支持細胞生長的基本生物活性基質。通過摻入多巴胺包被的Fe3O4MNP(FO@PDA),磁誘導水凝膠網絡的應變硬化/軟化,控制水凝膠模量實現(xiàn)BMSCs神經分化和神經再生,水凝膠命名為DHAC-F(Double-modified HA-Col-FO@PDA)。使用離合器加固模型解釋具有模量振動的磁性開關水凝膠基質對BMSCs神經突伸長的影響。研究揭示了基質抗性介導PI3K/AKT信號通路和鈣信號轉導通路機制。項研究證明了磁性縱水凝膠系統(tǒng)在體內創(chuàng)傷修復中的潛力,為組織再生和創(chuàng)傷治療的新生物材料的設計和臨床治療策略提供了啟示。該文章于2024年3月15日以《Magnetic on–off manipulated matrix mechanic vibration to enhance cell clutches-reinforcement and Ca2+ influx facilitating BMSCs neural differentiation and TBI repair》為題發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》 (DOI:10.1016/j.cej.2024.149521)。
研究示意圖
(1) 磁縱雜化 DHAC-F 水凝膠的制備和表征
通過三重交聯(lián)過程制備了磁性縱可逆水凝膠(DHAC-F)(圖1A),包括Col分子自組裝、Col和DHA之間的動態(tài)亞胺交聯(lián)以及DHA的紫外線觸發(fā)自由基聚合。為調節(jié)水凝膠剛度,摻入FO@PDA MNP并與DHA發(fā)生可逆亞胺交聯(lián)。研究了不同F(xiàn)O@PDA MNP濃度的純DHAC水凝膠和磁性DHAC-F水凝膠(DHAC-FL、DHAC-FM和DHAC-FH)的溶脹和降解行為,發(fā)現(xiàn)DHAC-FH水凝膠隨FO@PDA MNP濃度增加,溶脹率最低(圖1B),降解動力學最慢(圖1C)。DA包被納米顆粒通過靜電相互作用削弱了HA鏈羧基與水凝膠的靜電排斥及與水分子的氫鍵形成。測量四種水凝膠初始剛度,所有楊氏模量均<2kPa(圖1D),DHAC-F水凝膠楊氏模量高于不含MNP的DHAC水凝膠,因其納米復合增韌及PDA包被MNPs作為額外交聯(lián)劑增強了網絡密度和穩(wěn)定性,但三種DHAC-F水凝膠初始楊氏模量無顯著差異。SEM圖像顯示四種水凝膠均有相互連接微孔結構(圖1E),且三種DHAC-F水凝膠中FO@PDA MNPs分布均勻,孔隙率和孔徑隨其濃度增加而增加(圖1F&G)。隨FO@PDA MNP濃度增加,納米增強效應及額外交聯(lián)增加DHAC-F水凝膠剛度,但也破壞了水凝膠網絡分子間相互作用和交聯(lián)(圖1H),不過三種DHAC-F水凝膠初始楊氏模量無明顯差異。
圖1磁縱雜化 DHAC-F 水凝膠的制備和表征。(A)具有多種交聯(lián)的 DHAC-F 水凝膠的制備。(B) DHAC 水凝膠和 DHAC-F 水凝膠的溶脹行為和 (C) 降解行為。(D) 不含任何 NPs 的 DHA 水凝膠和具有不同 FO@PDA NP 濃度的 DHAC-F 水凝膠(DHAC-FL、DHAC-FM 和 DHAC-FH)的楊氏模量。(E) DHAC-F 水凝膠多孔網絡的 SEM 圖像(白色箭頭:FO@PDA NP)。(F) DHAC 水凝膠和 DHAC-F 水凝膠的孔隙率和 (G) 孔徑。(H) FO@PDA MNP 和 HA 鏈之間相互作用的示意圖
(2)DHAC-F 水凝膠的磁性開-關縱機械曲線
根據磁流變水凝膠假說,MF存在時磁性FO@PDA MNP通過可逆亞胺鍵共價鍵合到水凝膠網絡上,沿MF方向擺動產生額外應力,導致水凝膠磁性硬化(圖2A)。使用磁流變儀將軸向MF施加于水凝膠(圖2B),采用0到0.2T的脈沖MF(持續(xù)1分鐘)研究其磁力學曲線(圖2C)。無MNP的DHAC水凝膠儲能模量(G’)和損耗模量(G'')與MF無關,其模量的輕微振動可能是由測量時施加的剪切力引起(圖2D)。集成MNP的水凝膠在0和0.2T的二元MF下顯示三個循環(huán)的替代G’和G''(圖2E&F),所有三種集成MNP的水凝膠對外部MF響應迅速,剛度在每個循環(huán)60s內達到最大值。G’最大值隨FO@PDA MNPs濃度增加而增加,DHAC-FL為~2.5kPa,DHAC-FM為~5.1kPa,DHAC-FH為~9.8kPa,三種水凝膠的模量與天然神經組織的模量相匹配(<10kPa)。去除MF時,三種水凝膠的G’恢復到初始水平。固定MNPs濃度后,DHAC-FM水凝膠的剛度(G’和G'')隨MF強度升高而增加,穩(wěn)定在約0.2T(圖2G),證明了其磁性硬化曲線,且磁調節(jié)過程可逆(圖2H)??紤]機械可調性和便捷性,選擇DHAC-FM水凝膠進行后續(xù)實驗。無磁性FO@PDA NP時,DHAC水凝膠剛度為~0.6kPa,DHAC-FM水凝膠(MNPs濃度為~1%)剛度為~0.8kPa,其在可逆MF下可硬化至~5kPa(圖2I),適用于后續(xù)細胞培養(yǎng)以研究細胞與基質相互作用。
圖2 DHAC-F 水凝膠的磁機械調節(jié)。(A) DHAC-F 水凝膠的磁性開-關介導的機械調節(jié)的示意圖。(B) 將 MF 軸向施加到水凝膠上的磁流變設置示意圖。(C) 由磁流變儀控制的 0 至 0.2 T 脈沖 MF。(D) DHAC 水凝膠的儲能模量 (G′) 和損耗模量 (G′′)。(E) 不同 FO@PDA MNPs 濃度的 DHAC-F 水凝膠的 G′ 和 (F) G′′。(G) DHAC-FM 水凝膠的磁性加固曲線,外部 MF 密度從 0 增加到 0.6 T。(H) DHAC-FM 水凝膠在 0.1 T 脈沖 MF 下的可逆儲能模量和損耗模量。(I) 示意圖顯示 DHAC-FM 水凝膠剛度可以通過外部 MF 進行矩陣機械設置進行調整
(3)水凝膠力學中磁致振動的解析模型
如圖 3A 所示,當施加力時,基體內部發(fā)生變形。標準線性固體 (SLS) 模型可用于描述水凝膠的機械特性(圖 3B)。對于彈塑性零件,參數 σEP以及參數為 H 的塑料單元0和 S邊界用于表示水凝膠的振幅依賴性。在沒有 MF 的情況下,水凝膠的剛度由初始水凝膠模量和 NP 增韌效應決定。磁流變水凝膠的剪切模量隨 MF 增加如圖 3C 所示,外力作用下的基本基體變形、NPs嵌入的微區(qū)基體變形和NPs的進一步基體沿外加MF方向的進一步基體變形。外部 MF 誘發(fā)的剪切應力 σ磁與磁應力張量參數呈正相關(圖 3D)。在固化的水凝膠中,MNP 在外部 MF 存在下受到限制,但 MNP 在 MF 方向上增加了局部基質變形,最終增加了水凝膠的整個模量。這種剛度的增加不僅在流變學測試期間的剪切力變形中很明顯,在進一步的局部細胞介導的基體變形中也很明顯。不可避免的是,COMSOL 模擬了磁誘導的水凝膠剛度變化。如圖 3E 所示,MF 強度隨著距磁體表面距離的增加而降低。MF |B|(~0.1 T) 對應于我們上述磁流變測試參數,該區(qū)域用于進一步模擬。在沒有 MF 的情況下,水凝膠在應力場模式下的模量幾乎沒有變化(圖 3F)。然而,使用 MF 時,水凝膠的模量顯著增加,從 < 1 kPa 增加到 ~5 kPa,這與上述磁流變測試結果一致。總體而言,該模型為觀察到的水凝膠剛度變化提供了機械基礎,這是由 MNP 的內在特性和施加到周圍基質的內部磁性介導應力引起的。
圖3 磁性縱水凝膠剪切模量變化的解析模型。(A) MNPs 集成復合水凝膠結構在無 MF (MF OFF) 的變形時和 (B) 標準線性實體模型 (SLS) 的方案。(C) MNPs 集成的復合水凝膠結構在與 MF (MF ON) 一起變形時,顯示 MNPs 在 MF 方向上引起的額外基體變形,以及 (D) 具有補充磁應力張量的 SLS 示意圖。(E) 硼化釹鐵磁鐵 (NdFeB) 的 MF 分布。(F) 表面應力張量分布(xy 分量),顯示有或沒有 MF 的水凝膠的內部模量
(4)磁性通-關可逆剛度通過離合器加固增強 BMSC 伸長率
BMSCs作為神經分化細胞模型,被原位封裝在DHAC、DHAC-FL、DHAC-FM和DHAC-FH水凝膠中,以評估9天培養(yǎng)期的生物相容性(圖4A)。選擇DHAC-FM水凝膠評估基質剛度變化對BMSC細胞行為的影響。在Con群內,細胞可感知水凝膠剛度和周圍水凝膠變形。OFF水凝膠中添加的MNPs雖無MF負載,但會誘導周圍水凝膠小幅變形,這種變形取決于MNPs濃度。MF負載會進一步導致水凝膠沿MF方向變形,通過定期加載和移除外部MF,可獲得細胞培養(yǎng)期間的動態(tài)基質剛度(圖4B)。評估了磁控剛度變化對BMSC存活的影響(圖4C),發(fā)現(xiàn)OFF水凝膠中添加痕量MNPs對第5天的細胞存活無明顯影響。同樣,ON-OFF水凝膠的可逆剛度也不影響B(tài)MSC的細胞匯合(圖4D)。研究中使用的MF強度較低(0.1T),具有磁安全性,細胞存活和匯合度無顯著差異。
細胞通過施加細胞力感知周圍基質的機械特性,并調節(jié)其生物行為,如FA形成、細胞骨架蛋白擴散和表達增加以響應基質電阻(圖4E)。為將此分析與細胞行為和基質剛度變化聯(lián)系起來,形成“電機-離合器”模型,包含基質、FAs、肌球蛋白和產生力的肌動球蛋白細胞骨架之間的動態(tài)分子鍵(圖4F)。在這個模型中,細胞通過延伸肌動球蛋白細胞骨架的聚合細胞內肌動蛋白束來開始伸長。相反方向上,肌球蛋白作為馬達,將肌動蛋白束拉向細胞中心,產生逆行流動。FA作為連接,可通過測量其對基質的抵抗來改變肌動蛋白細胞內結構的運動,從而影響肌動蛋白聚合。在神經誘導分化培養(yǎng)條件下,離合器的工作性能可決定BMSCs的最終神經突伸長。
作為細胞伸長的指標,圖4G的肌動蛋白染色結果顯示,所有三組中培養(yǎng)的BMSCs隨時間呈現(xiàn)延伸和分支過程(神經元的形態(tài)學特征)。第1天,OFF組BMSCs拉長得更短,而ON-OFF組BMSCs拉長得更長,沿神經突出現(xiàn)薄的毛發(fā)狀絲狀偽足。第5天,ON-OFF組神經突長度最長(圖4H)。此外,BMSCs的圓度顯示ON-OFF組明顯降低,表明細胞擴散程度較高(圖4I)。與Con水凝膠相比,OFF水凝膠的圓度略有降低。對于無磁縱的公共矩陣(OFF組),單個FA工作循環(huán)的電機-離合器模型的典型過程如圖4J所示。FA離合器逐漸與滑動的肌動蛋白絲嚙合,以在開始時驅動肌動蛋白聚合。當超過綁定時間時,有界離合器開始斷裂并停止向外伸長。這種“加載和失效”響應導致用于調節(jié)細胞擴散和伸長的有效結合離合器飽和。而在磁性ON-OFF矩陣中,矩陣從軟變?yōu)閳杂玻缓笥只芈錇檐?。ON-OFF矩陣在MF應用的時間點經歷了更多的硬化期。這個多余的硬化期加強了FA離合器的負載狀態(tài),減少了它們的失效并形成更多針對肌動蛋白逆行的錨點,最終增強了肌動蛋白細胞骨架組裝和細胞伸長。
圖4 磁通-關可逆剛度通過電機-離合機構觸發(fā)的離合-加固調節(jié) BMSC 的增殖、形態(tài)和伸長。(A) 位于三種不同水凝膠中的細胞的力態(tài)示意圖:DHAC 水凝膠(也稱為 Con 水凝膠)、不含 MF 的 DHAC-FM 水凝膠 (OFF) 和具有可逆 MF 的 DHAC-FM 水凝膠(開-關)。(B) 細胞培養(yǎng)期間 3 種水凝膠的剛度設置。(C) BMSCs 在三種水凝膠中 5 天的活/死染色和 (D) 細胞匯合統(tǒng)計。(E) 抵抗基體變形的胞力示意圖。(F) 用于檢查剛度對單元展開影響的電機離合器模型方案。(G) 鬼筆環(huán)肽/DAPI 染色的 BMSC 的 CLSM 圖像。(H, I) 每個細胞的神經突長度 (H) 和圓度 (I) 的統(tǒng)計數據。(J) 負責剛度影響的單元伸長率的離合器加固機構的方案
(5)磁性開關矩陣調節(jié) BMSC 的神經分化
在檢測基質剛度變化對BMSCs伸長影響后,研究了其機械轉導機制,特別是細胞骨架與TRPV4表達和功能的關系。TRPV4是機械敏感離子通道,可在力作用下發(fā)生構象扭曲。第7天評估三種水凝膠(Con、OFF、ON-OFF)中TRPV4基因表達(圖5A),ON-OFF組表達最高,TRPV4抑制劑RN1734使其顯著下降。免疫熒光染色和蛋白表達強度也顯示ON-OFF組TRPV4最高(圖5B)。藥物抑制劑消除了機械敏感離子通道的激活,類似于非磁性縱水凝膠。TRPV4高表達導致Ca2?內流,激活多種轉錄因子促進神經元存活和可塑性。Fluo-4標記的Ca2?染色顯示,不應用MF時,引入痕量MNP的細胞Ca2?無顯著差異(圖5C)。可逆MF顯著改變Ca2?水平,這種增加可被TRPV4抑制劑下調。ON-OFF模式通過誘發(fā)TRPV4信號傳導控制基體剛度(圖5D)。推測磁性縱可逆基質促進BMSC神經分化。將BMSCs封裝在Con、OFF、ON-OFF水凝膠中,在神經源性培養(yǎng)基中培養(yǎng)研究體外神經再生(圖5E)。ON-OFF水凝膠促進BMSC神經分化啟動,第7天Tuj1基因表達上調(圖5F)。IF染色證實Tuj1在ON-OFF水凝膠中積累水平較高,表明可逆剛度對BMSC早期神經分化的積極影響(圖5G)。通過檢測神經絲(NF)基因和蛋白表達研究BMSCs神經成熟。NF保護神經元免受機械應力并確保細胞彈性。第14天,與其他非磁性縱水凝膠相比,ON-OFF水凝膠中NF基因表達更高(圖5H),蛋白表達也證實增強的神經突生長(圖5I)。為說明可逆剛度對BMSC神經成熟的影響,用抗PSD95抗體免疫染色檢查突觸蛋白活性。ON-OFF水凝膠PSD95基因和蛋白表達最高(圖5J&K)。與PSD95趨勢相反,GFAP在第21天ON-OFF組基因表達最低,表明磁性縱水凝膠阻礙BMSCs星形膠質細胞分化(圖5L)。長期GFAP蛋白表達也證實了這一點(圖5M)。這些結果表明,磁性縱可逆基質促進BMSCs向神經元而非星形膠質細胞分化。
圖5 磁性開關矩陣通過 TRPV4 誘發(fā)的 Ca2+ 促進 BMSCs 的神經分化流入。(A) 7 天后 TRPV4 在 BMSC 中的基因表達。免疫熒光 (IF) 染色和 (B) TRPV4 和 (C) 細胞內 Ca2+ 的熒光強度7 天后 BMSC 中的水平。(D) TRPV4 誘發(fā) Ca2+ 內流通過基質剛度調節(jié)促進 BMSC 的神經分化的機制示意圖。(E) 表征不同階段神經分化結果的方案示意圖。(F) 基因表達,(G) 7 天后 BMSC 中 Tuj1 的 IF 圖像和熒光強度。(H) 基因表達,(I) 14 天后 NF 的 IF 圖像和熒光強度。(J) 基因表達,(K) 21 天后 PSD95 的 IF 圖像和熒光強度。(L) 基因表達,(M) 21 天后 GFAP 的 IF 圖像和熒光強度
(6)磁性縱矩陣中 BMSC 神經分化的 RNA 測序研究
采用RNA測序分析研究基質剛度變化通過肌動蛋白細胞骨架聚合介導的機械轉導途徑促進BMSCs神經分化的生物學機制。在ON-OFF和OFF樣本中發(fā)現(xiàn)677個差異表達基因(DEGs),其中257個上調,420個下調(圖6A)。GO Chord圖顯示DNA修復、神經遞質分泌和運輸、基于肌動蛋白絲的過程的調節(jié)等GO術語之間的關系(圖6B)。進一步評估OFF和ON-OFF水凝膠之間差異神經相關表達基因(DNEGs)的表達,與OFF水凝膠相比,ON-OFF水凝膠中更多DNEG的表達水平上調(圖6C)。GO分類顯示,與OFF水凝膠相比,ON-OFF水凝膠中的DNEGs與神經元分化相關(圖6D)。此外,與細胞內機械轉導有關,OFF vs Con和ON-OFF vs Con的GO項結果都與“細胞間粘附”和“細胞粘附”有關。與Con相比,ON-OFF水凝膠顯示出與細胞外基質組織相關的GO項明顯上調,表明對細胞生態(tài)位重塑的有效反應。KEGG富集表明,與OFF水凝膠相比,ON-OFF水凝膠中“磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B(PI3K-AKT)”信號通路、“鈣信號通路”和“粘著斑”信號通路上調(圖6E)。細胞內Ca2?可能激活小GTP酶Ras,進而募集PI3K。PI3K-AKT信號通路通過激活肌動蛋白成核劑調節(jié)肌動蛋白細胞骨架的動力學,參與干細胞的自我更新。Ca2?通過多種反饋效應觸發(fā)細胞內鈣信號通路。與OFF水凝膠相比,ON-OFF水凝膠中PI3K-AKT和鈣信號的富集通路顯示出磁性縱的可逆基質介導與機械轉導相關的生物過程。KEGG分析還表明,PI3K-Akt通路中富集了27個基因,鈣通路中富集了12個基因(圖6F&G)。根據RNA測序結果和上述蛋白質表達,推斷磁性縱的可逆基質激活了TRPV4離子通道的開放,導致Ca2?增加內流,觸發(fā)PI3K-AKT和細胞內鈣信號通路,通過促進肌動蛋白聚合以實現(xiàn)BMSC的神經分化(圖6H)。
圖6 第 21 天 BMSCs 神經分化的 RNA 測序分析。(A) ON-OFF 水凝膠中 BMSCs 下調基因 (藍色,420) 和上調基因 (紅色,257) 的火山圖。(B) ON-OFF 水凝膠中差異表達基因 (DEG) 的豐富和弦圖。(C) 熱圖顯示了 OFF 和 ON-OFF 水凝膠之間 BMSCs 的差異表達神經相關基因 (DENG)。(D) 與 OFF 水凝膠相比,ON-OFF 水凝膠中 DENG 的基因本體論 (GO) 分類。(E) 與 OFF 水凝膠相比,ON-OFF 水凝膠中富集的 KEGG 通路。(F) OFF 和 ON-OFF 水凝膠中 PI3K-AKT 信號通路相關基因的熱圖。(G) OFF 和 ON-OFF 水凝膠中鈣信號通路相關基因的熱圖。(H) 基質剛度如何通過激活 PI3K-AKT 和鈣信號通路調節(jié) BMSCs 神經元分化,最終促進肌動蛋白聚合的示意圖
(7)TBI 后磁縱神經元再生和神經功能恢復
在SD大鼠中建立TBI模型,將TBI大鼠分為4組:注射PBS的對照組(TBI)、DHAC水凝膠處理組(Con)、DHAC-FM水凝膠處理組(OFF)和DHAC-FM水凝膠伴交替MF處理的ON-OFF組,另設正常大鼠為陽性對照(Sham)。TBI建模、治療及神經功能恢復評估流程如圖7A所示。TBI后28天處死大鼠并收集器官。HE染色顯示三種水凝膠(Con、OFF、ON-OFF)生物相容性良好,未引起明顯結構損傷、炎癥等病理變化。評估TBI后28天腦組織完整性,TBI組出現(xiàn)大空腔,水凝膠組空腔減小,尤其是ON-OFF組,部分空腔有細胞松散浸潤(圖7B)。作為軸突和髓鞘再生指標,NF和MBP的IF染色顯示ON-OFF組表達最高(圖7C),OFF組表達略高于TBI組,表明生物活性水凝膠可誘導神經纖維和髓鞘再生,磁縱機械信號進一步增強這種影響。GAP43和PSD95染色研究突觸形成,ON-OFF組陽性熒光信號最高(圖7D、D1&D2),OFF組GAP43面積高于Con組,可能是DA修飾的MNPs促進軸突生長所致,證實ON-OFF水凝膠在體內促進TBI后神經再生和大腦結構重塑。
TBI會導致學習、記憶和認知功能障礙等神經精神后遺癥。采用MWM實驗評估TBI后的長期神經功能恢復。典型游泳路線顯示,經過6天學習,五組大鼠的平臺尋找軌跡顯著減少(圖7E)。第21天移除水下平臺記錄逃逸潛伏期,五組的逃逸潛伏期在訓練后不同程度減少(圖7F),ON-OFF組明顯小于TBI、Con和OFF組,與Sham組相似,表明磁控可逆矩陣有效促進TBI后大鼠的空間學習能力。第28天評估記憶功能,ON-OFF組大鼠最頻繁穿越隱藏平臺區(qū)域,且在目標象限內停留時間最多(圖7E、G和H),表明ON-OFF水凝膠顯著提高TBI大鼠的記憶能力。以上結果表明,磁性縱的可逆基質有助于TBI后大鼠的長期神經功能恢復。
綜上所述,結果證實磁性縱的可逆基質中的離合器強化效應通過PI3K-AKT和鈣依賴性肌動蛋白自組裝調節(jié)細胞伸長來介導BMSC神經分化(圖7I)。在離合器增強效應下,磁性縱基質中的BMSC表現(xiàn)出肌動蛋白自組裝上調,增強的細胞內機械信號激活PI3K-AKT和鈣信號通路,促進神經分化相關基因Tuj1、NF、PSD95和GFAP的表達,最終促進TBI后神經功能恢復。相比之下,F(xiàn)As參與的非磁性縱基質的“加載和失敗”在肌動蛋白聚合中沒有顯著促進作用,導致神經分化和神經功能恢復較弱。
圖7 TBI 后用磁性縱水凝膠治療的大鼠的恢復評估。(A) TBI 建模、水凝膠植入、MF 負荷和神經再生評估的示意圖。IF 表示免疫熒光染色,MF 表示 MF 加載點,MWM 表示莫里斯水迷宮。(B) TBI 后 28 天不同組的大腦圖片。假動作表示僅暴露顱骨而沒有任何植入的大鼠,TBI 表示注射 100 μL PBS 的 TBI 大鼠,Con 組表示用 DHAC 水凝膠治療的 TBI 大鼠,OFF 組表示用 DHAC-FM 水凝膠治療的 TBI 大鼠,ON-OFF 組表示用 DHAC-FM 水凝膠治療的 TBI 大鼠伴有交替的 MF。(C) NF/髓鞘堿性蛋白 (MBP) 的典型 IF 染色圖像。每個視野的 (C1) NF 和 (C2) MBP 陽性區(qū)域的定量。(D) PSD95/生長相關蛋白-43 (GAP43) 的 IF 染色圖像。每個視野的 (D1) PSD95 和 (D2) GAP43 陽性區(qū)域的定量。(E) TBI 后第 28 天 MWM 的典型痕跡。(F) TBI 后第 21 至 27 天 MWM 中的逃逸潛伏期。(G) TBI 后第 28 天的穿越時間和 (H) 象限停留時間。(I) 磁性縱的可逆基質的示意圖通過調節(jié)機械轉導介導的 PI3K-AKT 和鈣信號通路,通過離合器增強的肌動蛋白組織介導 BMSCs 神經分化
在這項工作中,開發(fā)了一種摻入 MNP 的磁性縱水凝膠,磁性縱水凝膠顯示出對低 MF 的及時機械響應。這種集成遠程磁性開關的水凝膠系統(tǒng)提供了基質剛度可逆作,從而為通過激活離合器增強的肌動蛋白自組裝來建立增強的細胞-基質相互作用提供了有利的微環(huán)境。磁通-關增強的機械相互作用通過觸發(fā)涉及細胞伸長的機械誘導來促進 BMSCs 神經分化,Ca2+通過激活 TRPV4 通道通過 PI3K-AKT 和鈣信號通路誘導后續(xù)神經分化而內流。此外,受益于 MF 負載的安全性和可行性,磁縱策略成功地在體內應用于 TBI 修復,實現(xiàn)了令人滿意的腦組織再生和神經功能恢復。這項工作采用智能響應水凝膠,為調節(jié)干細胞的機械生態(tài)位以定制細胞行為調節(jié)提供了有趣的見解和參考。總的來說,這些結果也為體內遠程縱智能平臺的多功能性和可靠性開辟了新的途徑,用于發(fā)現(xiàn)/開發(fā)旨在治療神經和其他組織損傷的潛在療法。
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