靶向S100A8介导的神经免疫互作及缺氧诱导神经元损伤的仿生水凝胶系统（Biomimetic Hydrogel System Targeting S100A8 Centered Neuroimmune Crosstalk and Hypoxia Induced Neuronal Injury）

《Advanced Science》：Biomimetic Hydrogel System Targeting S100A8 Centered Neuroimmune Crosstalk and Hypoxia Induced Neuronal Injury

　　

组织缺氧和神经炎症是创伤性脑损伤（traumatic brain injury, TBI）后继发性损伤的主要驱动因素。S100A8是一种促炎性损伤相关分子模式（damage-associated molecular pattern, DAMP），参与病理性神经元–小胶质细胞信号传导，可能放大继发性损害。然而，目前尚缺乏针对S100A8中心性神经免疫互作的有效干预手段。本研究通过将修饰的血红蛋白纳米颗粒和姜黄素基碳量子点整合入透明质酸–胶原水凝胶中，构建了多功能仿生水凝胶系统HPC@Gel，以阻断这一恶性循环。体外实验中，采用缺氧HT22神经元、脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）刺激的BV2小胶质细胞及HT22–BV2 Transwell共培养模型评估神经保护作用及神经免疫调节功能。HPC@Gel显著下调S100A8表达，减弱病理性神经元–小胶质细胞互作。重组S100A8挽救实验进一步显示，外源性S100A8部分逆转了HPC@Gel的保护效应，支持S100A8抑制的功能性作用。在大鼠皮质腔洞TBI模型中，HPC@Gel降低了神经元和小胶质细胞中S100A8的表达，减轻神经元缺氧并逆转神经炎症。上述效应改善了病理微环境，促进内源性神经再生，并助力神经功能与认知恢复。本研究通过同时靶向缺氧及S100A8介导的神经免疫互作，为TBI提供了一种有前景的治疗策略。

论文解读：靶向S100A8中心性神经免疫互作及缺氧诱导神经元损伤的仿生水凝胶系统研究

研究背景与意义

创伤性脑损伤（traumatic brain injury, TBI）的病理进程包括原发性损伤及随后数小时至数天内发生的继发性损伤 cascade，后者是决定长期预后的关键。继发性损伤阶段以脑组织缺氧和神经炎症为特征，二者共同破坏神经元与小胶质细胞间的稳态平衡，该过程受损伤相关分子模式（damage-associated molecular pattern, DAMP）调控。其中钙结合蛋白S100A8是一强效DAMP，作为神经元–小胶质细胞病理性互作的关键介质，缺氧可诱导受损神经元表达并释放S100A8，胞外S100A8通过Toll样受体4（Toll-like receptor 4, TLR4）及晚期糖基化终末产物受体（receptor for advanced glycation end products, RAGE）激活小胶质细胞，放大促炎细胞因子产生并加剧神经元丢失，形成有害的正反馈环路将缺氧与小胶质细胞过度活化直接偶联。目前尚无针对S100A8中心性神经免疫互作轴的有效干预手段。理想的TBI治疗策略应同时改善上游缺氧微环境和抑制下游炎症放大。TBI后形成的实质腔洞为局部给药提供天然位点，类细胞外基质（extracellular matrix, ECM）水凝胶因具组织模拟组成、可调机械性能及可填充不规则缺损的特性成为优良载体。该研究在《Advanced Science》发表，报道了一种负载双功能纳米共轭物（hemoglobin–polydopamine–curcumin carbon quantum dots, HPC）的仿生双网络透明质酸/胶原水凝胶（HPC@Gel），通过协同释氧与抗炎、下调S100A8阻断神经元–小胶质细胞有害互作，重塑TBI后微环境并促进神经修复。

主要关键技术方法

研究人员采用水热法合成姜黄素基碳量子点（curcumin-derived carbon quantum dots, CCQDs）；通过多巴胺氧化聚合于血红蛋白（hemoglobin, HB）表面并引入CCQDs，经一步反应制备具释氧与抗炎双功能的HPC纳米共轭物。以高碘酸钠氧化及甲基丙烯酸酐改性制备醛基化/甲基丙烯酰化透明质酸（aldehyde- and methacrylate-modified hyaluronic acid, AHAMA），与Ⅰ型胶原（collagen, Col）通过动态亚胺键及光交联形成双网络仿生水凝胶（Gel），在凝胶化过程中分别载入CCQDs、HB-PDA或HPC制得CCQDs@Gel、HB-PDA@Gel及HPC@Gel。体外用缺氧HT22小鼠海马神经元、LPS诱导M1极化的BV2小胶质细胞及HT22–BV2 Transwell共培养模型评估细胞内氧水平（Ru(dpp)₃(PF₆)₂探针）、缺氧诱导因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α, HIF-1α）、凋亡（Annexin V/Cleaved Caspase-3）、小胶质细胞表型（CD86/CD206）、S100A8表达与分泌（酶联免疫吸附测定 enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA及免疫荧光）及重组S100A8蛋白挽救实验。体内建立SD大鼠皮质腔洞TBI模型（n=每组18），即刻植入水凝胶，于术后3、7、28天取脑行免疫荧光（NeuN、Iba-1、Nestin、Tuj-1、S100A8、HIF-1α、iNOS、Arg-1、TUNEL、Nissl染色）及转录组测序分析；术后行改良神经功能缺损评分（modified neurological severity score, mNSS）、Y迷宫及旷场实验（open field test, OFT）行为学检测；28天取主要脏器行HE染色及血清生化评估生物相容性。

研究结果

2.1 Preparation and Characterization of a Biomimetic Hydrogel Scaffold With Synergistic Antioxidant and Oxygen-releasing Functions

HPC呈均匀球形（约185.3±25.8 nm），Zeta电位及FTIR证实CCQDs经π–π堆积/氢键整合入HB-PDA；UV–vis显示Soret带可逆氧合/脱氧位移，表明HB保留氧结合能力。HA/Col双网络水凝胶Young's模量约1 kPa、具应力松弛行为，匹配脑组织力学；SEM示多孔纤维网络且纳米粒均匀分布；FTIR证实动态亚胺键交联。HPC@Gel在72 h内CCQDs累积释放率77.4%，具早期持续释放特征；对DPPH及H₂O₂具明显清除能力（抗氧化主要来自CCQDs），缺氧下最大释氧浓度7.36 mg/L（释氧来自HB组分）。结论：成功构建具释氧与抗氧化双功能、力学匹配的仿生水凝胶支架。

2.2 The Biomimetic Gel System Alleviates Neuronal Hypoxia, Inhibits Neuroinflammation, and Enhances In Vitro Neuroprotection

含HB组（HB-PDA@Gel及HPC@Gel）降低缺氧HT22细胞内Ru(dpp)₃(PF₆)₂荧光强度及HIF-1α表达，证实改善细胞内氧合；HPC@Gel最显著减少Annexin V及Cleaved Caspase-3信号并降低凋亡率。LPS刺激BV2细胞后，CCQDs@Gel及HPC@Gel下调M1标志物CD86、上调M2标志物CD206，ELISA示TNF-α降低、IL-10升高，HPC@Gel效果最强。结论：HPC@Gel通过HB组分缓解神经元缺氧凋亡，通过CCQDs组分促进小胶质细胞M1→M2极化，发挥双重神经保护。

2.3 Neuronal–Microglial Crosstalk Mediated by S100A8 and its Blockade by the Biomimetic Gel System

TBI大鼠脑组织中S100A8与神经元（NeuN⁺）及小胶质细胞（Iba-1⁺）共定位较假手术组显著升高。体外缺氧HT22上清可检出S100A8而BV2不能，证实神经元缺氧驱动S100A8分泌。Transwell共培养中HPC@Gel及S100A8选择性抑制剂Paquinimod（PAQ）均显著降低S100A8表达与分泌（CCQDs@Gel抑制效应强于HB-PDA@Gel），HPC@Gel处理减少HT22凋亡、降低BV2细胞CD86并升高CD206。结论：CCQDs是抑制S100A8表达的主要活性成分，HPC@Gel阻断S100A8中心性神经元–小胶质细胞病理性互作。

2.4 Recombinant S100A8 Rescue Partially Reverses the Neuroprotective and Immunomodulatory Effects of HPC@Gel

在HPC@Gel或PAQ处理的缺氧HT22–BV2共培养中外加重组S100A8蛋白，S100A8表达部分恢复，HT22凋亡及BV2细胞CD86升高、CD206降低，接近缺氧组水平。结论：HPC@Gel及PAQ的神经保护与免疫调节效应依赖于S100A8的抑制，证实S100A8为该体系作用的关键功能性靶点。

2.5 Biomimetic Hydrogel System Facilitates Neural Regeneration and Functional Recovery Following TBI

植入后第7天，各治疗组损伤周区Nestin⁺神经干细胞/祖细胞（neural stem/progenitor cells, NSPCs）增多，HPC@Gel组未成熟神经元标记Tuj-1⁺面积最大；第28天Nissl小体阳性神经元数HPC@Gel组最高。行为学：HPC@Gel组Y迷宫总路程及最大交替次数、旷场中央区停留时间及总路程显著优于PBS组；mNSS评分各时间点持续低于其余组。结论：HPC@Gel激活内源性NSPC增殖与神经元分化、支持新生神经元存活，显著改善TBI大鼠感觉运动及空间记忆功能。

2.6 The Neuroprotective and Neuroinflammatory Regulatory Effects of Bionic Gel Systems In Vivo

术后第3天，HB-PDA@Gel及HPC@Gel组损伤区HIF-1α⁺神经元及TUNEL⁺/NeuN⁺凋亡神经元较PBS组减少；iNOS⁺/Iba-1⁺促炎小胶质细胞减少、Arg-1⁺/Iba-1⁺抗炎表型增多，此表型偏移持续至第7天。结论：HPC@Gel在体内缓解神经元缺氧与凋亡，抑制过度小胶质细胞活化并促进M2极化，重塑损伤微环境。

2.7 Biomimetic Composite Gel Reduces S100A8 Expression and Exhibits High Biocompatibility in Vivo, With Underlying Mechanisms Uncovered Through Transcriptomics

HPC@Gel组伤区神经元及小胶质细胞S100A8表达较PBS组显著下调。转录组测序发现HPC@Gel vs PBS共823个差异表达基因（246上调、577下调），GO富集关联血管功能、免疫调节及神经发育；KEGG富集显示PI3K-Akt及MAPK通路显著变化——PI3K-Akt上调利于抗凋亡与神经再生，MAPK信号抑制关联M1活化减弱，与S100A8介导的RAGE/TLR4通路抑制相符。HE及血生化（ALT、AST、CREA、BUN）未见异常。结论：HPC@Gel体内有效抑制S100A8、调节PI3K-Akt/MAPK相关通路且具良好生物相容性。

讨论与结论翻译

本研究开发了用于治疗TBI的多功能仿生水凝胶系统（HPC@Gel）。该系统并非通过单一抑制某炎症介质发挥作用，而是被设计为同时缓解组织缺氧并减弱S100A8相关的神经免疫互作，从而重塑损伤后微环境以支持神经修复。基于模拟脑组织的凝胶基质并整合释氧与抗炎功能的协同作用，该系统缓解了组织缺氧、抑制了关键炎症因子S100A8介导的有害神经免疫互作，并提供再生微环境。实验结果表明，该策略不仅保护神经元、限制小胶质细胞过度活化，还显著促进动物模型内源性神经干细胞生长与成熟，导致神经功能明显改善。总之，本工作通过建立一种共递送氧载体与抗炎剂的仿生水凝胶系统，同时改善缺氧并阻断有害的S100A8介导的神经免疫互作，有效重塑损伤后微环境以促进强健的神经再生与功能恢复，为TBI提供了一种新型治疗策略。