生物活性可注射水凝胶促进脑卒中区网络化血管结构重建与神经再生的研究

To date, no effective treatment is available for stroke in clinical settings. Current treatments, which have been focused on anti-inflammation and neuroprotection with pharmacological agents, have failed to produce clear improvements in the mortality and neurological outcome. This is perhaps due to the inability of these treatments to replace damaged or necrotic brain tissue at the lesion site and regenerate functional neural tissue, which is crucial to sustain functional recovery. In recognition of this notion, neural transplantation strategies have been attempted to repopulate the brain lesion site. Despite its efficacy in providing some extent of functional recovery in the injured brain, neural transplantation has had very limited success, due to poor donor cell survival and functionality at the lesion site. In particular, the ongoing tissue inflammation at the lesion site and the lack of any supportive tissue structures and vasculatures within the lesion present a hostile environment that jeopardizes the survival of transplanted cells. The goal in this proposal is to develop an injectable hydrogel-based delivery system with remarkable potential for 1) the reconstruction of the complete blood vessel network at the stroke lesion zone, and 2) sustained, targeted delivery of signaling biomolecules necessary to manipulate brain-resident endogenous neural stem cells (E-NSCs) for structural regeneration in the stroke lesion zone.

脑卒中是全球第二大死因，目前以溶栓和神经保护为主的治疗方式，无法有效应对。其中一个重要原因是卒中区微环境的破坏和恶化，使移植神经细胞或神经干细胞存活率极低。我们组经过几年的研究，可以实现对卒中区受损微环境的修复并促进神经的再生。本课题中开发了一种全合成，以非免疫源性材料（多臂巯基聚乙二醇和环状层粘连蛋白模拟多肽）为基的水凝胶，这个可注射凝胶能在二星期内重建卒中区的血管网络。成胶后具有天然脑组织的力学特性和优良的细胞粘附性。并且可以在此凝胶中负载对内源性神经干细胞具有诱导迁移、增殖、分化作用的生长因子。并通过对生长因子的控释，实现卒中区域的血管网络重构，诱导神经干细胞向卒中区迁移，促使神经干细胞原位功能性分化成神经细胞，进而实现卒中区脑神经再生的目标。该领域的研究，在已报道的文献中虽有涉及，但将生长因子蛋白多肽模拟、控释以及内源性神经干细胞三者结合起来，作为一个整体进行研究尚属首次。

背景：脑卒中是全球第二大死因，目前以溶栓和神经保护为主的治疗方式，无法有效应对。其中一个重要原因是卒中区微环境的破坏和恶化，使移植神经细胞或神经干细胞存活率极低，难以形成有效功能整合。.主要研究内容：通过材料手段负载对内源性神经干细胞具有诱导迁移、增殖、分化作用的生长因子。并通过对生长因子的控释，实现病损区域的血管网络重构，改善局部微环境，促使神经干细胞原位功能性分化成神经细胞。将活性生长因子、控释以及内源性神经干细胞三者的功能有机结合起来。.重要结果及科学意义：1）利用水凝胶为支撑材料，与细胞培养板结合，构建了便于标准化和便捷操作的三维细胞培养技术平台，在细胞体外培养过程中，借助我们所开发的三维细胞培养技术，可以获得细胞更为接近在体状态时的特性，其中与血管生成因子相关的VEGF表达上调显著，2D培养和3D培养有显著差异，并且在3D培养条件下，一些细胞的关键调控因子均比2D培养大幅上调；2）人源多能干细胞（hPSCs）因其在体内分化为多种功能细胞类型的能力，是研究再生医学和发育生物学的有力工具。现存的主要挑战是如何引导其受控定向分化。控制细胞的分化过程的方法之一是在体外培养过程中，拟胚体（EB）的形成。过往在小鼠多能干细胞（PSCs）上成熟的解决方案，并不能简单外延推广至hPSCs上，采用本课题的新方法，可以批量、稳定、低成本的产生人源拟胚体（HEBs）。3）通过功能生物材料在小鼠动物模型体内实现NGF等活性生长因子的长效释放及对周边细胞的调节。