基于可注射导电水凝胶的神经电学微环境构建及其促脊髓损伤修复作用机制研究

Spinal cord injury can easily lead to sensory, motor function deterioration and even paraplegia. It is one of the most serious diseases in the clinic. There is no effective clinical treatment. Researchers have used neuronal extracellular matrix-like materials to promote spinal cord injury to a certain extent, but it is still difficult to meet clinical requirements. The electrical signals generated by electrical excitatory neurons constitute the electrical microenvironment of the central nervous system of the spinal cord, which plays an important role in the growth of nerves. Based on this, the applicant proposed a scientific hypothesis of "using conducting hydrogel to construct a neuroelectric microenvironment to promote repair of spinal cord injury", using supramolecular chemistry to prepare injectable conductive hydrogel, which was injected into the spinal cord injury area by minimally invasive means. Thus an electrical microenvironment that is mechanically matched to spinal cord tissue is constructed to accelerate spinal nerve regeneration. The dependence and influence of hydrogel composition and structure on physical and chemical properties such as electrical and mechanical properties were studied. The mechanism of the action of the electrical microenvironment on the spinal nerve cells and the molecular mechanism of promoting nerve regeneration were explained, which provides a new way for clinical development of new spinal cord injury repair materials.

脊髓损伤易导致患者感觉、运动功能退化甚至截瘫，是临床上常见的严重疾病之一，目前尚无有效的临床治疗方法。研究者们采用仿神经细胞外基质材料在一定程度促进脊髓损伤修复，但仍难以满足临床要求。电兴奋性神经元产生的电信号构成了脊髓中枢神经的电学微环境，其对神经的生长具有重要作用。基于此，申请人提出“导电水凝胶构建神经电学微环境促脊髓损伤修复”的科学假想，运用超分子化学技术制备可注射导电水凝胶，将其通过微创手段注射到脊髓损伤区域，从而构建出与脊髓组织力学匹配的电学微环境以加速脊髓神经再生。系统研究该水凝胶组成、结构与电学、力学等理化性能之间依存关系及其影响规律；阐明水凝胶构建电学微环境对脊髓神经细胞的作用机理及其促神经再生的分子机制，为临床发展新型脊髓损伤修复材料提供新的思路和途径。

脊髓神经组织主要功能是以神经纤维快速传导生物电信号来传递信息。研究表明电兴奋性神经元产生的内源性生物电流及电场，可以形成神经电学微环境，其在神经系统发育和再生方面发挥重要作用。在神经修复材料的设计和制备中，考虑通过恢复内源性生物电信号的传导，重建脊髓损伤区域局部电学微环境，有望达到促进神经组织再生目的。据此，本项目按计划开展研究工作，研究目标均基本完成。基于超分子化学原理，制备出了仿神经组织力学特性的可注射仿细胞外基质导电水凝胶，该水凝胶在力学性能、电学性能和细胞外基质组成上模拟了神经组织的微环境。研究发现通过调整导电组分的含量来控制水凝胶的形貌结构、机械性能和电学性能。另外，该可注射导电水凝胶也表现出了良好的组织粘附性，快速的自愈合特性和良好的生物相容性。通过体外细胞实验研究表明，所制备的导电水凝胶可促进神经干细胞向神经元的分化，同时抑制星形胶质细胞的分化。采用大鼠创伤型脊髓损伤模型，通过核磁影像技术、组织学、行为学、电生理、研究对水凝胶促进脊髓修复作用，表明导电水凝胶材料快速改善神经再生微环境，促进了神经元分化和髓鞘化轴突生长，实现了动物后肢运动功能的修复。本项目进一步研究了可注射导电水凝胶的修复机制，揭示了该导电水凝胶可以激活再生神经的 PI3K/AKT/MEK/ERK 通路，促进神经分化和轴突生长。本项目的研究为临床发展具有电学特性的新型脊髓损伤修复材料奠定了研究基础。