《Biomaterials》：Enhancing Neural Communication via Activating Calcium-dependent Signals toward Spinal Cord Injury Repair
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摘要脊髓损伤是一种严重的神经系统疾病，它会形成不利于神经再生的恶劣微环境。去细胞化细胞外基质能够保留天然组织的成分与结构，从而模拟有利于神经再生的微环境，并为神经再生提供生化信号和结构支持。然而，再生出的神经元却无法自主恢复神经之间的交流。在本研究中，我们将导电聚合物聚(3,4-
摘要
脊髓损伤是一种严重的神经系统疾病，它会形成不利于神经再生的恶劣微环境。去细胞化细胞外基质能够保留天然组织的成分与结构，从而模拟有利于神经再生的微环境，并为神经再生提供生化信号和结构支持。然而，再生出的神经元却无法自主恢复神经之间的交流。在本研究中，我们将导电聚合物聚(3,4-乙撑二氧噻吩)与从脊髓中提取的去细胞化细胞外基质结合，制备出一种新型的导电水凝胶，通过生化及生物电信号来增强再生神经元之间的交流。这种导电水凝胶可促使神经干细胞分化为神经元，调节细胞膜电位，提高神经细胞内的钙活性四倍，上调钙依赖性信号基因的表达，同时还能促进BDNF的产生。在脊髓损伤小鼠模型中，该导电水凝胶能够促进内源性神经再生，持续激活神经营养因子的分泌以及钙依赖性信号通路，进而加速运动功能恢复。本研究通过激活钙依赖性信号来解决再生神经元之间交流的问题，为脊髓损伤的治疗提供了一种整合生化与生物电信号的新的策略。
引言
脊髓损伤是一种严重的神经系统疾病，其特点是神经电信号传递受阻，这往往会导致损伤部位以下肢体的运动功能出现永久性损害[1]、[2]、[3]。严重的脊髓损伤会给患者及其家庭带来巨大的身体、心理和经济负担[4]、[5]。脊髓损伤后，损伤部位会形成病理性微环境，进而引发神经系统的一系列病理变化，包括神经元死亡、轴突退化以及髓鞘脱失[6]、[7]、[8]、[9]。目前，由于中枢神经系统的可塑性和再生能力有限，大多数脊髓损伤都无法通过现有医疗手段治愈[10]、[11]、[12]、[13]。因此，促进内源性神经再生是治疗脊髓损伤的关键所在。
为促进神经再生，研究人员开发了多种功能性生物材料用于治疗脊髓损伤，比如聚乙二醇、聚乳酸共聚物、胶原蛋白、透明质酸以及壳聚糖[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。此外，脊柱细胞外基质由多种胶原蛋白、蛋白聚糖、糖蛋白以及其他与基质相关的成分组成，每一种成分都在促进神经再生过程中发挥着不同的作用[20]、[21]、[22]。例如，层粘连蛋白能够促进神经干细胞黏附并促进其轴突生长[23]，而糖蛋白则可以调控神经干细胞的增殖[24]。因此，相比使用单一类型的细胞外基质成分或合成聚合物，补充天然的复杂细胞外基质成分在促进神经再生方面更为有效[25]、[26]、[27]。去细胞化细胞外基质因为含有多种天然组织特有的成分，在各类生物材料中表现出了突出的优势，是促进神经再生的优质材料[28]、[29]、[30]。由于去除了细胞成分，同时保留了具有组织特异性的细胞外基质成分，去细胞化细胞外基质具备生物相容性且免疫原性较低[31]、[32]。先前的研究已经表明，保留了天然组织成分与结构的去细胞化细胞外基质能够为脊髓损伤修复提供生化信号和结构支持，它在调控神经干细胞分化以及促进神经再生方面起着至关重要的作用[33]、[34]、[35]。不过，再生出的神经元缺乏自主恢复彼此间神经交流的能力，这就导致神经再生后神经信号通路的重建效果并不理想[36]、[37]。因此，如何增强再生神经元之间的神经交流，助力它们相互连接并重建神经信号通路，仍是加速脊髓损伤修复的重要挑战。由于生物材料如去细胞化细胞外基质的电导率本来就较低，往往无法有效增强再生神经元之间的神经交流[38]、[39]。
近年来，金属基纳米材料、碳基纳米材料以及导电聚合物等导电生物材料被用于修复皮肤、骨骼肌和脊髓等具有电活性的组织损伤[40]、[41]、[42]。这类导电生物材料能够模拟健康脊髓的导电微环境，产生跨膜电压梯度，从而调控离子在细胞膜上的流动，有望增强再生神经元之间的神经交流，加快脊髓损伤的修复速度[43]、[44]。然而，金属基和碳基纳米材料在降解过程中会表现出长期的细胞毒性。而且由于这类材料的表面积与体积比很高，当被制成水凝胶后很容易发生聚集，这会在体内应用时带来并发症风险，还会导致性能不均匀[45]。与此同时，聚(3,4-乙撑二氧噻吩)这类导电聚合物具备良好的生物相容性且免疫原性较低，因此成为用于制备脊髓损伤治疗用导电水凝胶的理想候选材料[46]、[47]、[48]。此外，聚(3,4-乙撑二氧噻吩)是一种电气性能优异的导电聚合物，由于其加工性能良好，能够与生物活性材料相结合，用来制备满足生理应用所需机械强度的水凝胶或导管[49]。而且与其他导电材料不同，聚(3,4-乙撑二氧噻吩)在生理环境中稳定性更高，不会降解产生副产物或释放金属离子，因此非常适合用于脊髓损伤的长期治疗[50]。因此，将去细胞化细胞外基质与聚(3,4-乙撑二氧噻吩)结合来制备导电水凝胶，为增强脊髓损伤治疗中再生神经元之间的神经交流提供了一种极具前景的策略。一方面，导电水凝胶中的去细胞化细胞外基质能够提供促进神经再生的生化信号，而聚(3,4-乙撑二氧噻吩)则能提供增强再生神经元间神经交流的生物电信号，进而帮助重建神经信号通路[51]、[52]、[53]。另一方面，增强的神经交流能够调节细胞活动，进一步促进神经再生，加速脊髓损伤的治疗[45]、[54]。到目前为止，结合生化信号与生物电信号来增强再生神经元间神经交流的双信号策略，或许能为脊髓损伤的治疗提供一种新的治疗思路，但相关研究还十分少见。
在本研究中，我们通过原位界面聚合技术，将聚(3,4-乙撑二氧噻吩)均匀地组装在甲基丙烯酸明胶多孔支架表面，从而形成GelMA/PEDOT复合材料（见图1）。随后，我们将从猪脊髓中提取的去细胞化细胞外基质引入到GelMA/PEDOT复合材料中，再通过原位光交联反应，制备出一种新型的导电水凝胶pdECM/GelMA/PEDOT。所制备的这种导电水凝胶具备与天然脊髓相当的电导率和压缩模量。细胞实验表明，该导电水凝胶具有生物相容性，能够促使神经干细胞分化为神经元。此外，它还能调节细胞膜电位，提高神经细胞内的钙离子活性，上调钙依赖性信号基因的表达，同时促进神经突的生长。动物实验则验证了该导电水凝胶能够促进内源性神经再生和轴突生长，推动血管生成，抑制胶质瘢痕的形成。而且它还能持续激活神经营养因子的分泌以及钙依赖性信号，同时调节神经递质的释放，从而增强神经交流，加速运动功能恢复。这种导电水凝胶解决了再生神经元之间神经交流的问题，证明了整合生化与生物电信号的双信号治疗策略在脊髓损伤治疗中的应用潜力。
章节节选
pdECM及pdECM/GelMA/PEDOT导电水凝胶的制备
为了精准模拟组织再生的微环境，去细胞化细胞外基质已成为组织工程领域用于疾病治疗的理想材料。在本研究中，pdECM是从新鲜的猪脊髓组织中提取的，是通过包括冻融循环、洗涤剂处理以及酶处理在内的联合去细胞化工艺制备而成的（见图1a）。去细胞化处理完成后，通过对宏观形态的分析发现
结论
在本研究中，我们首先通过原位界面聚合技术将聚(3,4-乙撑二氧噻吩)合成在GelMA多孔支架的表面，随后让pdECM通过与聚(3,4-乙撑二氧噻吩)的氢键相互作用进入GelMA/PEDOT复合材料中，最后通过光交联反应制备出一种新型的导电水凝胶。这种导电水凝胶成功模拟了天然脊髓组织的关键特性，包括具有组织特异性的细胞外基质成分以及电导率，同时
CRediT作者贡献说明
刘嘉尚：撰写——初稿、验证、方法学、研究实施、正式分析、概念构建。赵春军：撰写——审阅与编辑、验证、研究实施。刘长生：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取。陈曦：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、正式分析、概念构建
数据可用性声明
本研究的相关数据，可在合理请求下向通讯作者获取。
伦理审批声明
所有的动物实验方案均获得了华东理工大学的动物实验伦理委员会批准（批准编号：ECUST-2025-085），该审批符合中国的国家标准《GB/T 35892-2018：动物福利伦理审查指南》的要求。
利益冲突声明
所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：32371464）以及国家自然科学基金的基础科学中心项目（编号：T2288102）的支持。作者们还要感谢华东理工大学分析测试研究中心在材料表征方面所提供的帮助。
Jiashang Liu|Chunjun Zhao|Changsheng Liu|Xi Chen
教育部超细材料重点实验室、物质生物与动态化学前沿科学中心、教育部生物材料工程研究中心、华东理工大学材料科学与工程学院，中国上海200237
