氧化石墨烯掺入胶原基生物材料可体外抑制反应性星形胶质细胞的瘢痕形成表型转化

为解决脊髓损伤(SCI)后胶原-整合素相互作用诱导星形胶质细胞向瘢痕形成表型转化的问题，研究人员开展氧化石墨烯(GO)掺入胶原基生物材料的研究。通过体外实验证实，GO掺入可显著降低整合素β1和N-钙黏蛋白表达，抑制硫酸软骨素蛋白聚糖(CSPGs)相关基因表达，并调节Kir4.1和GLT-1离子通道活性。该研究为开发抑制胶质瘢痕形成的神经修复材料提供新策略。

　　

脊髓损伤是导致永久性运动、感觉和自主功能丧失的严重创伤。尽管胶原基生物材料因其生物相容性被广泛应用于神经修复，但近期研究发现，I型胶原(COL)通过整合素β1介导的相互作用，会加速反应性星形胶质细胞向瘢痕形成表型转化，形成抑制轴突再生的胶质瘢痕。这一发现对胶原基材料的临床应用提出了严峻挑战。

氧化石墨烯(GO)因其独特的物理化学性质在生物医学领域备受关注。既往研究表明，游离GO能调节星形胶质细胞的钾离子(K⁺)和谷氨酸转运，但其在生物材料中的整合效应尚不明确。荷兰奈梅亨大学医学中心的研究团队在《Brain Research Bulletin》发表研究，系统评估了GO掺入对星形胶质细胞表型转化的调控作用。

研究采用新生大鼠皮质星形胶质细胞，分别进行二维(2D)表面培养和三维(3D)包埋实验。关键技术包括：1）制备GO掺入的I型胶原(COL-GO)和脂肪组织来源细胞外基质(ECM-GO)水凝胶；2）通过qPCR和免疫荧光分析整合素β1、N-钙黏蛋白、胶质纤维酸性蛋白(GFAP)等标志物表达；3）检测钾通道Kir4.1和谷氨酸转运体GLT-1功能变化。

3.1 整合素β1和N-钙黏蛋白表达
研究发现，在ECM-GO水凝胶表面培养14天的星形胶质细胞，整合素β1和N-钙黏蛋白表达显著降低。N-钙黏蛋白作为胶质细胞间黏附分子，其下调提示GO可能干扰瘢痕边界形成。值得注意的是，COL-GO组未见显著变化，研究者认为这与ECM含有更多天然蛋白（如纤连蛋白、层粘连蛋白）有关。

3.2 反应性和蛋白聚糖相关表达
基因分析显示，COL-GO和ECM-GO均显著下调硫酸软骨素磺基转移酶CHST11表达（4倍降低），COL-GO组还特异性抑制多功能蛋白聚糖VCAN。免疫荧光虽未显示GFAP和CSPG蛋白水平的显著差异，但基因层面证实GO可靶向调控CSPG生物合成通路。

3.3 ECM纳米复合凝胶中的表型抑制
3D培养环境下，ECM-GO使星形胶质细胞的GFAP基因表达显著降低，CHST11和VCAN持续下调。研究者指出，VCAN作为轴突生长抑制分子，其减少可能创造更有利的再生微环境。而具有促生长作用的CSPG5未受影响，显示GO对CSPG亚型的调控具有选择性。

3.4 钾和谷氨酸转运影响
短期培养(5天)时，COL-GO组Kir4.1和ECM-GO组GLT-1表达降低，可能与整合素信号中断相关。但延长培养至14天后，这种抑制效应消失，推测是GO从基质中缓释后被细胞内化，转而发挥正向调控作用。这一时相变化提示材料降解动力学对治疗效果具有关键影响。

该研究首次阐明GO掺入胶原基材料可通过多重机制调控星形胶质细胞命运：1）物理干扰整合素-胶原相互作用，阻断促瘢痕信号传导；2）选择性抑制CHST11和VCAN等瘢痕相关分子；3）动态调节Kir4.1和GLT-1功能。这些发现为设计"智能"神经支架提供了理论依据——通过调控材料拓扑结构和化学组成，可精确引导胶质细胞向修复表型转化。

研究同时指出若干待解问题：GO掺入浓度与生物效应的量效关系、材料在体降解行为、以及与其他神经细胞类型的相互作用等。作者强调，未来需建立更接近脊髓损伤病理的体外模型，如加入损伤组织匀浆，以全面评估材料的治疗潜力。这项工作为开发兼具机械支持和微环境调控功能的下一代神经修复材料奠定了重要基础。