工程功能性血管以重建脊髓损伤后膀胱功能的交感-副交感回路

《Bioactive Materials》：Engineering functional vasculatures to reconstruct sympathetic-parasympathetic circuits for bladder function after spinal cord injury

　　

脊髓损伤（SCI）导致严重的神经源性膀胱功能障碍，其恢复高度依赖于膀胱交感-副交感神经支配的修复。稳定的血液灌注是维持神经再生的前提，但受损脊髓组织内很少形成功能性微血管。在本研究中，研究人员构建了一种整合性水凝胶基脊髓替代物，通过时序性分阶段的血管生成信号联合免疫调节来支持血管化。早期递送血管内皮生长因子（VEGF）促进内皮激活和出芽，而延迟释放血小板衍生生长因子-bb（PDGFbb）支持周细胞募集和血管成熟。持续的免疫调节进一步稳定了植入段内的新生血管。该脊髓替代物支持在体内形成结构成熟、无渗漏且功能灌注的微血管网络，并伴有植入组织内代谢能力的改善。这种血管化环境使得自主神经轴突再生、髓鞘形成和突触组织化成为可能，从而促进SCI后膀胱相关神经回路的重新连接和膀胱功能的显著恢复。这些发现表明，在植入的脊髓替代物内构建功能性血管足以支持组织整合和选择性自主神经恢复，将血管重建确立为SCI后恢复复杂神经功能的关键基础。

**论文解读：工程功能性血管重建脊髓损伤后交感-副交感回路以恢复膀胱功能**

**一、研究背景与问题**

脊髓损伤（SCI）后组织微环境发生剧烈破坏，包括血管断裂、炎症浸润和代谢不足，这些因素共同阻碍神经修复。尽管已有多种生长因子、细胞因子或生物材料策略被用于刺激轴突再生，但体内疗效有限，主要原因是未能重建功能性血管网络。新生的血管往往不成熟、灌注不良且通透性高，无法维持代谢稳态，反而加剧炎症反应。正常的血管生成是多步骤过程，需要内皮增殖、出芽以及随后的血管成熟（包括周细胞募集、基底膜组装和内皮连接稳定）。在SCI后，由于天然结构破坏和炎症信号主导，实现这一协调过程尤为困难。因此，研究假设：在SCI部位植入一个可编程的脊髓替代物，通过时序性血管生成信号联合免疫调节，可为功能性血管的形成提供结构性和免疫学上的许可环境，进而支持组织整合和神经回路重建。

**二、研究目的与主要发现**

研究人员开发了一种基于整合水凝胶（IntHydrogel）的脊髓替代物，该平台通过早期释放血管内皮生长因子（VEGF）启动内皮激活和出芽，延迟释放血小板衍生生长因子-bb（PDGFbb）促进周细胞募集和血管成熟，并加入姜黄素（Curcumin）进行免疫调节。在成年雌性SD大鼠（来源：广东省医学实验动物中心）的T10完全横断并切除2mm脊髓段的模型中，立即植入该替代物，评估了免疫微环境重塑、血管形成、代谢支持、神经再生及膀胱功能恢复。结果表明，该替代物支持了结构成熟、无渗漏、功能灌注的微血管网络形成，改善了局部代谢，促进了自主神经轴突再生、髓鞘形成和突触组织化，最终重新连接了膀胱相关的交感-副交感神经回路，显著恢复了膀胱功能。该研究发表于《Bioactive Materials》。

**三、关键技术方法（不超过250字）**

研究人员采用的关键技术包括：1）构建IntHydrogel平台，由透明质酸-接枝-多巴胺（HADA）和设计肽HGF-(RADA)₄-DGDRGDS（HRR）组成，实现VEGF和PDGFbb的序贯释放（PDGFbb封装于脂质体中），并加入姜黄素；2）使用大鼠脊髓完全横断切除2mm段的替代模型；3）通过免疫荧光染色、Western blot、ELISA、qRT-PCR分析免疫细胞极化及细胞因子谱；4）利用超声定位显微镜（ULM）评估血管灌注；5）采用非靶向代谢组学分析植入段代谢状态；6）通过伪狂犬病毒（PRV）逆行示踪追踪膀胱-脊髓-脑自主神经回路；7）结合超声测残余尿量和组织学评估膀胱功能恢复。

**四、研究结果**

**2.1 仿生IntHydrogel平台的构建与表征**
研究人员通过流变学、扫描电镜（SEM）和体外释放实验证实，IntHydrogel平台具有与天然脊髓组织匹配的力学性能、多孔结构，并能实现VEGF和姜黄素的早期快速释放以及PDGFbb的延迟释放，实现时序性血管生成调控。

**2.2 植入的脊髓替代物（ICS）塑造免疫微环境**
在SCI后2周，ICS内CD206⁺抗炎巨噬细胞比例显著升高，iNOS⁺促炎巨噬细胞比例降低，抗炎细胞因子（IL-4、IL-10、IL-1ra）上调，促炎因子（IL-3、TCK-3）下调。联合姜黄素组效果最显著，表明ICS通过巨噬细胞重塑建立了修复性旁分泌环境。

**2.3 ICS招募宿主血管并促进早期血管成熟**
在2周时，ICS界面处Glut1⁺血管密度和长度显著增加，VEGFR2共表达增强，且血管延伸进入ICS。透射电镜（TEM）显示连续occludin⁺内皮连接和周细胞覆盖，FITC-dextran渗漏减少约90.5%，证实形成功能性成熟血管。

**2.4 ICS内免疫调控通过NRP1介导内皮激活**
ELISA显示ICS内Neuropilin-1（NRP1）表达显著升高，与Glut1⁺血管共定位。体外巨噬细胞-脑微血管内皮细胞（BMEC）共培养实验表明，抗炎巨噬细胞诱导NRP1表达，激活VEGFR2信号并促进血管分支；siRNA敲低NRP1后该效应消失，证实NRP1是免疫-血管耦联的关键分子。

**2.5 ICS支持长期血管成熟与功能灌注**
在8周时，联合治疗组ICS内形成致密、连通的Glut1⁺血管网络，VE-cadherin连接连续，PDGFRβ⁺和α-SMA⁺周细胞覆盖增加。TEM确认超微结构成熟。ULM显示微血管密度达23.71±3.71%，血流速度0.63±0.03 cm/s，较对照组显著提高。

**2.6 ICS血管化增强局部代谢支持**
非靶向代谢组学分析（2周）显示，联合治疗组ICS内三羧酸循环（TCA）中间体（柠檬酸、草酰乙酸、异柠檬酸）和ADP水平显著升高，能量代谢及神经相关通路（如神经递质合成）被富集，表明血管化驱动了代谢恢复。

**2.7 ICS支持轴突进入和突触形成**
在8周时，酪氨酸羟化酶（TH⁺）轴突大量进入ICS，并被髓鞘碱性蛋白（MBP）包裹，TEM确认髓鞘化。共聚焦显示TH⁺轴突与Glut1⁺血管紧密相邻，并形成突触素（Syn）、VGLUT、VGAT阳性的兴奋性和抑制性突触，Western blot证实Syn和PSD95蛋白水平升高。

**2.8 ICS重新连接脊髓-脑自主神经回路并恢复膀胱功能**
PRV逆行示踪显示，联合治疗组大鼠的脑（皮质、皮层下区域）和胸段脊髓出现大量PRV⁺神经元，其中部分与TH、ChAT或PV共标，表明交感、副交感及抑制性中间神经元回路重建。超声显示残余尿量减少约72.6%，膀胱壁组织学显示平滑肌层增厚，TH⁺交感纤维和ChAT⁺副交感纤维恢复，突触结构完整。

**五、讨论与结论**

讨论部分指出，SCI后功能恢复受限的根本原因在于缺乏稳定的血管支持，而非单纯缺乏再生信号。本研究通过时序性血管生成信号和免疫调节，在植入替代物内成功构建了成熟、灌注良好的微血管网络，并揭示了NRP1介导的免疫-血管耦联机制。然而，星形胶质细胞整合受限，导致神经血管单元（NVU）重建不完全，未来需结合星形细胞靶向基质工程或细胞移植。代谢组学显示血管化驱动了线粒体能量代谢和神经支持通路激活，但代谢恢复仍不完整。长距离皮质脊髓束再生未观察到，但自主神经回路（膀胱控制）得到显著恢复，表明血管化足以支持选择性神经功能重建。研究局限性包括：使用完全横断模型（临床少见），未实现运动功能显著恢复，采用急性植入（不反映延迟干预临床现实），以及未直接测量排尿效率。

结论（翻译）：在本研究采用的节段性替代模型中，SCI在切除间隙内造成缺乏天然细胞外基质的空腔，阻碍神经再生，导致严重的神经源性膀胱损伤，影响患者生活质量。恢复膀胱的脊髓上神经支配对于恢复下尿路功能至关重要。然而，神经再生受到广泛血管破坏导致的代谢不足的限制，强调了重建功能性微血管网络以支持回路重构的必要性。尽管近期在血运重建策略方面取得了进展，但形成成熟、功能性灌注的血管仍是一个重大挑战，因为新生血管往往不成熟且渗漏。为解决这一问题，研究人员构建了整合性水凝胶基脊髓替代物，早期递送VEGF启动内皮激活和出芽，随后延迟释放PDGFbb促进周细胞募集和血管成熟，模拟血管化的自然进程。持续的免疫调节进一步稳定了植入段内的新生血管。结果，在SCI病灶中建立了成熟、灌注良好、周细胞支持的血管网络，重新校准了炎症环境，恢复了代谢充足性，并为轴突再生、髓鞘形成和突触重建创造了稳定的营养微环境。至关重要的是，恢复的血管结构使得跨越脑、脊髓和外周器官的多突触自主神经通路得以重新组装，有助于膀胱储尿和排尿功能的恢复。总之，这些发现确立了功能性血管化作为重组SCI后复杂交感-副交感回路的有前景策略。