清華大學劉冬生等AM：高滲透性DNA超分子水凝膠，強化干細胞治療效果
對于哺乳動物來說，嚴重的脊髓損傷后是無法自然再生。而將干細胞移植到受傷位點則被認為是頗具前景的人為修復方法，但這一方法嚴重依賴于位點和遞送材料提供的微環境支持。盡管目前相關遞送材料的力學性質、生物相容性和生物可降解性得到了廣泛的研究和探索，但對材料滲透性幾乎還沒有完整深入的認知。
首都醫科大學Songbai Cui、亞利桑那州立大學顏顥和清華大學劉冬生等人聯合設計了一種具有極高滲透能力的DNA水凝膠，可在大鼠模型上成功修復2毫米水平的脊髓間隙。經過治療的大鼠能夠恢復基本的后肢功能，同時移植干細胞和內源干細胞的增殖和分化也能夠形成新生神經網絡。這一水凝膠系統在臨床試驗中展現出了巨大的潛力，并且還有望應用到其他組織再生領域。相關工作以“Highly Permeable DNA Supramolecular Hydrogel Promotes Neurogenesis and Functional Recovery after Completely Transected Spinal Cord Injury”為題發表在Advanced Materials。
【文章要點】
一、水凝膠的設計及其滲透性
水凝膠滲透性主要取決于聚合物網絡網格尺寸，更小的網格尺寸更有可能與擴散通過網絡的分子進行相互作用。為了避免形成小尺寸的網格結構，在這項研究中作者設計了一種完全的DNA雙螺旋分子網絡。在這一水凝膠中，交聯點之間的距離大約在20納米左右；由于DNA雙螺旋的長度在50納米左右，作者認為水凝膠分支的DNA邊緣相對較硬，并導致水凝膠中幾乎不存在小尺寸的網格結構（圖1）。為了驗證水凝膠的滲透性，作者利用鏈霉親和素作為探針分子研究了其在水凝膠中的擴散。檢測發現，DNA超分子水凝膠的擴散指數（0.74）比PAA水凝膠（0.54）的還要高，表明動態DNA水凝膠更有利于神經相關生長因子等蛋白質的擴散和滲透。
圖1 DNA超分子水凝膠在受傷位點支持新生神經網絡形成
二、活體功能恢復
作者隨后將神經干細胞裝載進DNA水凝膠中，評價了其在活體中的治療功能。在術后8周，治療組的運動功能評分BBB可達到8。對運動功能恢復進行電生理評價發現，大鼠治療后的后肢運動誘發電位（MEP）信號振幅可達到0.5mV左右，這表明脊髓導電率正在恢復（圖2）。
圖2 活體功能恢復研究
三、移植神經干細胞的增殖和分化
研究又進一步檢測了DNA水凝膠-表達GFP的神經干細胞系統在組織再生中的功能。研究發現，移植手術兩周后，受傷病變位點充滿了細胞，并且移植材料中的細胞并非都表達GFP，這表明移植材料能夠為細胞的存活、增殖和分化提供了良好的環境。
圖3 神經干細胞的存活、遷移和增殖
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