摘要：脊髓损伤（SCI）是一种难以治愈的疾病，其主要原因在于损伤后引发的继发性病理过程，如铁死亡（ferroptosis）和炎症反应，导致神经元不可逆性损失、神经回路中断和再生能力受限。当前的治疗手段仍面临巨大挑战，亟需能够同时靶向多病理机制的新型策略。

脊髓损伤（SCI）是一种难以治愈的疾病，其主要原因在于损伤后引发的继发性病理过程，如铁死亡（ferroptosis）和炎症反应，导致神经元不可逆性损失、神经回路中断和再生能力受限。当前的治疗手段仍面临巨大挑战，亟需能够同时靶向多病理机制的新型策略。

近日，四川大学郭刚教授、陈海锋副教授和石河子大学韩博教授团队提出了一种名为MCPAD的可注射自修复纳米复合水凝胶，该水凝胶搭载二甲双胍纳米颗粒（Met@PLGA NPs），并融合酚类动态交联网络（CPAD），能够协同抑制铁死亡、清除活性氧（ROS）并调节免疫微环境。实验表明，MCPAD在体外显著提升神经元存活率，在体内减少ROS积累、胶质瘢痕和炎症因子表达，同时促进轴突再生与突触重塑，最终实现运动功能恢复和组织结构保护。

示意图1.MCPAD水凝胶搭载二甲双胍，重塑损伤微环境以支持脊髓损伤后的神经功能修复

研究团队首先通过透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）对Met@PLGA NPs和MCPAD水凝胶进行了系统表征。结果显示，纳米颗粒粒径均匀、分散良好，水凝胶具有多孔结构和良好的机械性能，包括剪切稀化、自愈合性和组织粘附能力（图1A–M）。此外，水凝胶在体内降解缓慢，能持续释放药物，并表现出优异的生物相容性（图1N–Q）。

图1. Met@PLGA和MCPAD的制备与表征。（A–B）PLGA NPs（A）和Met@PLGA NPs（B）的代表性照片、透射电镜图像和粒径分布。（C）水凝胶的照片和扫描电镜图像。（D）MCPAD的扫描电镜图像。（E）水凝胶在1%至1000%应变范围内的应变扫描。（F）水凝胶在0.1–100 rad/s频率范围内的频率扫描。（G）水凝胶在1–100 s⁻¹剪切速率下的剪切稀化行为。（H）水凝胶的可注射性。（I）水凝胶在1 Hz固定频率下交替应变扫描（1%和600%交替进行5个循环）。（J）用水罗丹明B（红）和亚甲基蓝（蓝）染色的水凝胶自愈合行为。（K）水凝胶与脊髓组织之间相互作用的示意图。（L）水凝胶粘附于小鼠组织表面的照片。（M）水凝胶的可撕裂和拉伸性能。（N）水凝胶在25°C水中的溶胀性能（n=3）。（O）水凝胶在37°C PBS中的降解性能（n=3）。（P）小鼠皮下注射后残留游离Cy5.5和CPAD的荧光分析（n=4）。（Q）水凝胶在37°C PBS中二甲双胍的累积释放曲线（n=3）。

在功能验证方面，MCPAD在RSL3诱导的铁死亡模型中显著抑制细胞内Fe²⁺积累和脂质过氧化产物MDA，同时上调抗氧化蛋白GPX4和xCT，下调铁摄取受体TfR1，有效恢复线粒体膜电位（图2A–J）。此外，水凝胶表现出强烈的抗氧化和抗炎能力，能清除ROS、提升谷胱甘肽（GSH）水平，并促进巨噬细胞向抗炎M2型极化（图3A–N）。

图2. MCPAD在体外抑制铁死亡、脂质过氧化（LPO）并调节线粒体膜电位。（A）不同浓度二甲双胍（Met）水凝胶对PC12细胞的细胞毒性（n=7）。（B）RSL3处理的PC12细胞与不同材料共孵育后的代表性荧光图像。Fe²⁺用亚铁橙染色，细胞核用Hoechst 33342（蓝色）染色。（C）Fe²⁺的相对平均荧光强度（n=5）。（D）上述处理下PC12细胞中MDA的相对水平（n=3）。（E）Western blot检测上述处理下PC12细胞中GPX4、xCT和TfR1的表达。（F–H）Western blot检测的GPX4（F）、xCT（G）和TfR1（H）相对蛋白水平量化（n=3）。（I）上述处理下PC12细胞的代表性荧光图像，线粒体膜电位用JC-1检测。（J）JC-1聚集体与单体的相对平均荧光强度（n=3）。

图3. MCPAD的体外抗氧化和抗炎活性。（A）RSL3处理的PC12细胞与不同材料共孵育后的代表性荧光图像，ROS用DCFH-DA（绿色）染色。（B）PC12细胞中ROS水平的量化（n=8）。（C）流式细胞术检测PC12细胞中ROS表达。（D–E）上述处理后PC12细胞中过氧化氢（H₂O₂）（D）和谷胱甘肽（GSH）（E）的相对水平（n=3）。（F）水凝胶的DPPH自由基清除率（n=3）。（G）CD11c⁻骨髓来源巨噬细胞（BMDMs）中CD86⁺和CD206⁺细胞比例的量化（n=3）。（H）不同处理下CD86⁺和CD206⁺细胞在CD11c⁻ BMDMs中的比例。（I）Western blot检测BV2细胞中iNOS表达。（J）Western blot检测的iNOS相对蛋白水平（n=3）。（K–N）BV2细胞上清液中细胞因子IL-10（K）、TNF-α（L）、IL-6（M）和IL-1β（N）的水平（n=4）。

通过RNA测序分析，研究发现MCPAD处理可显著改变损伤区域基因表达谱，富集于细胞外基质交互、脂质代谢和炎症相关通路，并逆转铁死亡、氧化应激和铁离子转运相关基因的异常表达（图4A–L）。动物实验进一步证实，MCPAD能显著减少损伤区域的铁沉积和脂质过氧化，降低炎症因子表达，同时促进神经干细胞激活和神经元存活（图5A–N）。

图4. 损伤后5天（dpi）不同处理组脊髓RNA测序分析。（A）差异表达基因（DEGs）的韦恩图。（B）SCI组与 Sham组DEGs的火山图。（C）MCPAD组与SCI组DEGs的火山图。（D）MCPAD与SCI组在5 dpi的GO富集分析。（E）MCPAD与SCI组在5 dpi的KEGG富集分析。（F–H）SCI与Sham组在5 dpi的NF-κB通路（F）、JAK-STAT通路（G）和铁死亡通路（H）的DEGs热图。（I–K）MCPAD与SCI组在“铁死亡”（I）、“铁离子转运”（J）和“氧化应激响应”（K）通路的GSEA分析。（L）MCPAD调控细胞内铁平衡的机制模型。

图5. MCPAD在损伤后5天通过清除ROS、抑制铁死亡和调节脂质过氧化促进脊髓功能恢复。（A）不同处理组脊髓横截面荧光染色图像：4-HNE（红）、GFAP（绿）、NeuN（洋红）、DCFH-DA（ROS，绿）、iNOS（绿）/CD206（红）、Nestin（绿）/Tuj-1（红），细胞核DAPI（蓝）染色。（B–C）4-HNE（B）和NeuN（C）水平的量化（n=3）。（D）ROS水平的量化（n=3）。（E）iNOS和CD206水平的量化（n=3）。（F）Nestin和Tuj-1水平的量化（n=3）。（G）Western blot检测损伤脊髓中iNOS、4-HNE、GPX4、xCT、TF、TfR1和FTL的表达。（H–N）iNOS（H）、4-HNE（I）、GPX4（J）、xCT（K）、TF（L）、TfR1（M）和FTL（N）的相对蛋白水平（n=3）。

在功能恢复方面，接受MCPAD治疗的大鼠在倾斜平面测试、BBB评分和步态分析中均表现出显著改善，损伤区域结构更完整，炎症浸润较轻（图6A–I）。组织学分析显示，MCPAD还能促进髓鞘再生、抑制胶质瘢痕形成，并显著提升突触和轴突标志物表达（图7A–J，图8A–F）。

图6. MCPAD在损伤后8周（wpi）促进SCI大鼠运动功能恢复。（A）大鼠脊髓损伤模型建立及疗效评估时间线示意图。（B）倾斜角度量化分析（n=9）。（C）倾斜平面测试示意图。（D）大鼠在8周开放场中的BBB评分（n=6）。（E）大鼠在8周内的相对体重（n=6）。（F）不同处理组大鼠脊髓照片、H&E染色和尼氏染色图像。（G）8 wpi时CatWalk测试代表性步态图。（H–I）步长（H）和摆动速度（I）的量化分析（n=5）。

图7. MCPAD促进髓鞘再生和神经元成熟，并调节炎症微环境。（A）8 wpi时不同处理组大鼠脊髓横截面LFB髓鞘染色图像。（B）MCPAD与SCI组在TNF通路和神经活性通路中的DEGs热图。（C–G）不同处理组大鼠血清中细胞因子TGF-β1（C）、IL-10（D）、TNF-α（E）、IL-6（F）和IL-1β（G）的水平（n=6）。（H）纵向脊髓切片中GFAP（红）和NeuN（绿）共染代表性图像。（I–J）GFAP（I）和NeuN（J）水平的量化（n=3）。

图8. MCPAD促进损伤脊髓的轴突和突触再生。（A）纵向脊髓切片中GFAP（红）和NF200（绿）共染代表性图像。（B–C）GFAP（B）和NF200（C）水平的量化（n=3）。（D）纵向脊髓切片中Syn-1（红）和MAP2（绿）共染代表性图像。（E–F）Syn-1（E）和MAP2（F）水平的量化（n=3）。

综上所述，MCPAD通过其独特的酚类抗氧化网络和二甲双胍的持续释放，协同调控铁代谢、抑制脂质过氧化和炎症反应，为脊髓损伤提供了一种多靶点、高效且生物安全的治疗策略。该研究不仅展示了材料设计的创新性，也为未来神经再生医学的发展提供了重要参考。

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来源：科学大家谈