脊髓损伤是一种严重的中枢神经系统损伤，通常伴随神经元大量死亡和神经环路中断，造成患者运动功能障碍甚至瘫痪。生物支架具备良好的生物相容性、可降解性、药物递送性以及可控力学、电学、形貌等物化性能，可为脊髓损伤修复提供适宜的生化、机械、电学、结构等信号，有效激活相应信号通路，促进神经再生和环路重塑。因此，生物支架被广泛地应用于脊髓损伤修复。纤维素纳米纤维作为构建生物支架一类重要的生物材料，因其在构建多层级宏/微观结构和高因子/药物搭载效率等方面存在巨大潜力而被广泛关注与研究，但是目前对于纤维素纳米纤维基生物支架修复脊髓损伤的有效性尚未得到充分证明。

层状双金属氢氧化物掺杂纤维素纳米纤维并搭载小分子化合物促进神经再生和环路重塑

近期，同济大学朱融融教授等人设计了一种具有导孔导向结构的纤维素纳米纤维基LDH生物支架，通过促进神经再生，诱导轴突方向性生长重塑神经环路等作用效果，加速脊髓损伤修复进程。该生物支架可有效调控神经活性配体-受体相互作用、RhoA/Rock/Myosin II等信号通路和关键基因Myosin II的表达，促进神经干细胞向神经元有效分化，并引导轴突方向性生长，加速新生神经元与宿主神经环路整合，实现神经环路的有序重建，促进脊髓损伤修复。相关工作以“LDH nanoparticles-doped cellulose nanofiber scaffolds with aligned microchannels direct high-efficiency neural regeneration and organized neural circuit remodeling through RhoA/Rock/Myosin II pathway ”为题发表在Biomaterials。

【文章要点】

在这项研究中，作者利用共沉淀结合水热法制备出镁铁层状双金属氢氧化物（Mg-Fe LDH）并掺杂至纤维素纳米纤维（CNF），结合方向性相分离技术构建导向孔微结构，同时搭载维甲酸（RA）和刺猬因子（SHH）作为生化信号，构建出具备导向微结构的纤维素纳米纤维基生物支架（CNF-LDH-RS）。系列物化性能表征结果表明Mg-Fe LDH具备典型的层状双金属氢氧化物的形貌及晶型结构，且均匀分布于生物支架；利用方向性相分离技术构建的导向孔微结构在生物支架内部呈现高度有序排列，且该微结构贯穿整个生物支架。随后利用纤维素的高溶胀作用，在低温下完成RA和SHH的高效搭载，构建出同时具备物理化学修复效果的CNF-LDH-RS生物支架。

图1. Mg-Fe LDH和CNF-LDH-RS生物支架的物化性能表征

将CNF-LDH-RS移植至小鼠脊髓损伤处并护理8周，利用行为学评分、电生理学检测以及分子生物学检测手段，系统性评估CNF-LDH-RS修复脊髓损伤作用效果。评估结果显示，CNF-LDH-RS组小鼠后肢运动功能得到有效恢复，其行为学评分显著优于CNF-LDH 和RS组；另外，电生理学评估显示CNF-LDH-RS组小鼠的运动诱发电位明显高于CNF-LDH 和RS组，该实验结果进一步验证了CNF-LDH-RS促进神经再生和环路重塑的作用功效，上述检测结果均证明了物理化学协同修复脊髓损伤的高效性。为了深入探究损伤区神经元再生和神经环路重塑情况，作者利用分子生物学检测手段做相关表征，结果显示经CNF-LDH/CNF-LDH-RS修复后的脊髓损伤区显示出更多的新生神经元及更长轴突，其中CNF-LDH-RS修复效果最为显著；作者利用嗜神经病毒追踪的方法观察损伤区新生神经元与宿主神经环路的整合情况，结果显示新生神经元在CNF-LDH-RS导向孔微结构的诱导作用下，在生物支架内部呈现方向性生长且有效衔接损伤区头尾两端，可完成神经信号的有效传递，实现神经环路重塑。上述结果证明CNF-LDH-RS协同物理化学修复作用，有效促进损伤区神经再生及轴突方向性生长，完成新生神经元与宿主神经环路整合，实现神经环路的有序重建，促进脊髓损伤修复。

图2. CNF-LDH/CNF-LDH-RS生物支架修复脊髓损伤

上述研究结果表明CNF-LDH-RS可有效促进损伤区神经再生和环路重塑，加速脊髓损伤修复进程。为了进一步探究其具体修复作用机制，作者对经CNF-LDH/RS/CNF-LDH-RS修复的损伤区新生组织进行了RNA测序分析，分析结果表明CNF-LDH-RS通过激活神经活性配体-受体相互作用通路，促进损伤区神经再生；另外，该生物支架可有效抑制RhoA/Rock/Myosin II信号通路和关键基因Myosin II的表达，促进神经元生长锥的形成，从而加速轴突生长及神经环路重塑。作者利用分子生物学检测手段对该修复机制做了相关验证，结果显示CNF-LDH-RS激活神经元表面受体nAChR，促进神经递质释放，提高神经再生效率；同时，下调RhoA/Rock/Myosin II信号通路相关蛋白和Myosin II的表达，促进神经元生长锥的形成，提高轴突生长效率。

图3. CNF-LDH-RS生物支架修复脊髓损伤的作用机制

【结论与展望】

脊髓损伤是一种严重的中枢神经系统损伤，并一直缺乏有效的干预修复手段，易造成患者运动功能障碍甚至瘫痪。作者利用Mg-Fe LDH掺杂CNF并搭载小分子化合物，构建具备导向微结构的纤维素纳米纤维基生物支架，可有效激活神经活性配体-受体相互作用通路，促进损伤区神经再生；同时抑制RhoA/Rock/Myosin II信号通路和关键基因Myosin II的表达，诱导轴突方向性生长，重塑神经环路，加速脊髓损伤修复进程。该研究结果为后续生物支架材料选择和结构设计提供新思路。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122873