摘要：脑损伤的干细胞治疗一个关键是待治疗部位缺少血液输送氧气维持移植细胞代谢。墨尔本大学开发了一种添加血红蛋白的水凝胶能够让干细胞存活足够长的时间维持恰好的氧水平，动物实验表明新凝胶能显著提高小鼠的脑损伤部位的移植干细胞生存分化。

墨尔本大学和澳大利亚国立大学的研究人员开发了一种新的“混合”水凝胶，可以让临床医生安全地将干细胞输送到小鼠的脑损伤部位，文章发表在《Nature Communications》。这一概念验证突破解决了干细胞研究人员自20世纪80年代以来面临的一个重大挑战——让干细胞存活足够长的时间，使它们能够在被注入身体受损部位后能分化生成新组织所需的细胞。

图1 研究人员开发了新的水凝胶可以安全地将干细胞输送到小鼠的脑损伤部位

水凝胶是一种水基凝胶，可用于将物质输送到体内，并可用于促进新细胞的有效生长。文章中这种新型的水凝胶能为干细胞提供氧气，以保持干细胞在注射过程中存活，并确保干细胞分化成创造新组织以修复损伤所需的细胞类型。研究人员认为，这一进展将有利于包括大脑和中枢神经系统在内的身体许多部位的干细胞治疗。

用于递送、支持和整合干细胞的可注射生物材料在组织再生方面具有重要前景，因为它们可以快速有效地填充待治疗部位的空隙，以确保良好的组织接触。在调整这些材料的物理化学性质以适应基于附着的细胞所需要的参数方面，已经取得了重大进展。但是由于注射部位一般缺乏血管化，移植细胞依赖于通过组织扩散到移植物部位的氧气生存。这对于需要不断进行代谢的活细胞来说是一个显著限制，尤其是当它们在自然血管生成机制开始之前的重要早期阶段迫切需要氧气持时，这显著限制了任何修复大范围缺损的尝试。事实上，已有研究表明，在缺氧或缺血环境中，神经元存活率降低。然而，这一技术挑战非常重大，因为虽然低氧水平(低于2%)可导致细胞死亡，但显然高氧水平也可能诱导破坏性效应。除了呼吸和能量产生需要氧气之外，氧气还是定义细胞命运的过程(如中枢神经系统[CNS]细胞前体细胞的凋亡和分化)的重要信号分子。据了解，脑内氧化应激的主要促发因素是细胞内活性氧(ROS)水平升高，而ROS已被证明可促进少突胶质细胞和其他CNS衍生物的凋亡。理想范围内的氧稳态水平对神经元祖细胞的生存、增殖和分化至关重要。

图2 本研究中检测了不同的肌红蛋白变体

在体外和体内实验中，释氧生物材料已成为新型工程组织中细胞代谢的非血管支持的新方式。大部分注意力都集中在使用过氧化氢(H2O2)来控制和延长氧气输送，但H2O2的存在可能导致自由基的产生增加，尽管这可以在一定程度上通过在多组分系统中掺入酶(如过氧化氢酶)来克服。氟化化合物，特别是全氟化碳(pfc)，由于其具有生物惰性且易于溶解氧气，已被探索用作生物材料中的释氧佐剂。尽管PFC功能化生物材料具有潜力，但它们无法在血管化之前的时间内维持氧水平是一个显著的缺陷。另一种方法是利用天然存在的氧结合蛋白，如肌红蛋白(Mb)，将氧直接运输到组织。Mb已被用于在软骨组织工程过程中刺激干细胞的氧合。这一解决方案为临床可转化的治疗提供了更有前景的途径，因为Mb可促进氧气沿氧分压梯度运输，从而充当氧气储存库。Mb在高氧浓度下通过辅基血红素有效结合氧气(形成氧合肌红蛋白)，并在低氧条件下释放氧气(产生脱氧肌红蛋白)，例如代谢活动增加期间的情况。虽然蛋白(如Mb)在改善细胞移植结局方面具有显著潜力，但不能简单地将其注射到干细胞移植物的特定部位来影响细胞命运，因为它们会迅速降解并弥散离开病灶部位，而需要连续输入。

研究人员于是尝试在一种已被证实具有干细胞输送能力的水凝胶中加入肌红蛋白来结合和释放氧气。经过五年的研究，研究小组发现，一种基于肌红蛋白的合成蛋白质——在抹香鲸和马的心肌中高浓度存在的一种天然蛋白质——添加到水凝胶中，提供了确保干细胞在输送过程中存活下来并发育成修复脑组织所需的细胞类型所需的持续氧气释放。鲸鱼和其他深潜动物被认为在它们的肌肉组织中进化出了高浓度的肌红蛋白，这样它们就可以在潜水时慢慢地吸收尽可能多的氧气。同样，马被认为进化出了更高浓度的肌红蛋白，因此它们可以跑更远的距离。

小鼠实验结果表明新型水凝胶应用于移植物部位时，可以显著提高CNS内干细胞移植技术的疗效，促进移植的皮质神经干细胞在脑内的长期存活和整合。这些结果是在遭受医源性损伤的破坏脑组织中取得的。体内移植后28天的组织学分析显示，与无Mb水凝胶相比，移植的神经干细胞存活率显著提高，并向成熟神经元分化。研究人员观察到Mb存在时内源性组织的广泛神经支配，这首次证明了在功能性水凝胶中结合生物吸入氧输送，对协同促进干细胞移植的长期存活和整合具有重要意义。最后，通过使用不同氧亲和力的Mb突变体，他们证明了氧释放与功能整合相关，为实验观察提供了分子解释。这代表了一种开发组织模拟、易于注射的纳米材料的普遍策略，具有多种应用，包括在细胞移植、基因和药物递送、3D体外疾病模型和芯片器官技术。

图3 在SAP中掺入肌红蛋白可提高移植物存活率和移植物神经支配

墨尔本大学教授Clare Parish负责进行小鼠实验，他说，这一结果是在受伤的脑组织中取得的，这增加了培养新组织用于未来人类治疗的可能性。“我们看到，含有肌红蛋白和干细胞的水凝胶修复了受伤的脑组织。在水凝胶注入后28天的分析显示，与不含肌红蛋白的水凝胶相比，健康大脑功能所需的新干细胞的存活率和生长显著提高。”“我们观察到，新组织可以以类似于健康脑组织的方式受到刺激，这首次证明了在水凝胶中加入氧气输送以实现干细胞移植的长期存活和整合的好处。”

开发水凝胶的团队由墨尔本大学教授David Nisbet、澳大利亚国立大学(ANU)教授Colin Jackson领导。Nisbet教授说:“在中风等受伤后，大脑中有一个死亡区域，包括其中的循环系统。所以，我们需要一个临时的血液供应来支持细胞，直到血液系统修复。这种专利水凝胶提供了这一点。

Jackson教授说:“概念证明现已在小鼠大脑中得到证实，但这项研究代表了开发可注射纳米材料的广泛策略，用于各种应用，包括细胞移植、基因和药物传递、3D体外疾病模型和器官芯片技术。”“很少有药物治疗可以治疗中风或帕金森病等疾病，而且效果甚微。目前还没有可以逆转这些状况的治疗方法。”这一突破将引起全球研究人员和临床医生的兴趣，并可能导致许多革命性的医疗方法。

[1] Hydrogel oxygen reservoirs increase functional integration of neural stem cell grafts by meeting metabolic demands