在脊髓損傷（spinal cord injury, SCI）的病理生理過程中存在兩個主要因素導致了神經修復困難，一是損傷急性期的細胞興奮性毒性環境導致的繼發損傷級聯反應，二是損傷中后期的星形膠質細胞過度激活和增殖導致的膠質瘢痕增生構成了神經再生的屏障。研究顯示，在SCI急性期，壞死細胞釋放的興奮性氨基酸導致鄰近細胞的N-甲基-D-天門冬胺酸受體（NMDAR）過度激活，經NMDAR介導的細胞鈣內流增加，導致鈣超載，引起興奮性毒性細胞死亡，造成周期性傳播的繼發性損傷。缺氧、細胞代謝產物和炎性介質的蓄積還會導致局部pH下降，導致局部組織酸中毒。同時，室管膜細胞的某些亞群在SCI后激活轉化為神經干細胞（neural stem cells, NSCs），并進一步向膠質細胞分化，形成膠質瘢痕。盡管膠質瘢痕在SCI早期限制了細胞毒性分子和炎癥因子的擴散，然而在中后期它們成為了軸突再生的屏障。因此，阻斷細胞繼發性損傷反應，同時對內源性NSCs的分化進行調控是促進神經修復的關鍵。
有研究顯示，鎂離子（Mg2+）可以競爭性阻斷 NMDAR 和電壓門控鈣通道，減少細胞鈣內流，從而減少興奮性細胞死亡。在臨床中，鎂已被廣泛用于多種情況下的神經保護，包括子癇、創傷性腦損傷、腦缺血、中風和帕金森氏病。然而，血-脊髓屏障的Mg2+轉運能力有限，經靜脈持續注射高劑量Mg2+僅能使腦脊液中的Mg2+輕度升高。臨床上經靜脈應用鎂劑治療SCI并未取得一致有效的結果。因此，通過植入生物材料在脊髓局部釋放Mg2+以發揮神經保護作用可能是一個更有效的策略。
基于以上背景，蘇州大學骨科研究所賽吉拉夫課題組、李斌課題組合作制備了介孔MgO顆粒并負載神經形態發生素Purmorphamine（PUR）和Retinoic acid（RA），然后與聚（L-丙交酯-co-ε-己內酯）（PLCL）通過靜電紡絲技術制備了定向纖維支架以修復脊髓損傷（圖1）。實驗成果以《Magnesium Oxide/Poly (L‐lactide‐co‐ε‐caprolactone) Scaffolds Loaded with Neural Morphogens Promote Spinal Cord Repair through Targeting the Calcium Influx and Neuronal Differentiation of Neural Stem Cells》為題發表在《Advance Healthcare Materials》上。
研究者在評估了不同配比的MgO/PLCL支架的微觀形貌、力學性能、親水性、Mg2+釋放特征和細胞粘附性能后，選擇MgO:PLCL = 25:100配比的纖維支架進行后續試驗。
圖 1 介孔MgO的合成與不同配比MgO/PLCL纖維的制備。
研究者在體外模擬了脊髓損傷后的酸性環境和興奮性毒性環境，發現MgO/PLCL支架這兩種條件下均能保護神經細胞的存活（圖2，圖3）。另外，負載PUR/RA的MgO/PLCL支架顯著促進了NSCs向神經元方向的分化，減少了膠質細胞的形成（圖4）。同時，對神經元軸突形態的進一步分析顯示，負載PUR/RA的MgO/PLCL支架顯著促進了軸突的生長。
圖 2 MgO/PLCL支架的細胞粘附性能以及在酸性環境中對神經細胞的保護作用。
圖 3 MgO/PLCL支架減少了NMDA誘導的神經元鈣內流和神經元凋亡。
研究者進一步構建了小鼠脊髓T9半切損傷模型，并植入支架。結果顯示，2周后各組的脊髓內源性NSCs均可見激活，而MgO/PLCL+PUR/RA組的脊髓中央管中可見大量Nestin+細胞并與支架形成細胞通路，清晰地顯示了Nestin+ NSCs 通過脊髓中央管向纖維支架的遷移。同時，MgO/PLCL+PUR/RA組損傷周圍的凋亡細胞顯著減少，存活細胞增多（圖5）。在支架植入8周后，MgO/PLCL+PUR/RA支架顯著減少了損傷區域的星形膠質細胞（GFAP標記）的激活，并促進了大量神經元的形成（圖6）。
圖 5 MgO/PLCL+PUR/RA支架在體內促進內源性NSCs激活和遷移，減少細胞凋亡。
該研究從SCI的病理生理機制出發，通過復合材料同時干預了SCI后的繼發性損傷級聯反應和膠質瘢痕增生。據悉，這是含鎂生物材料植入修復SCI的首次研究。蘇州大學骨科研究所賽吉拉夫和李斌教授為本文通訊作者，謝計樂和李家穎博士生為本文第一作者。
