今日Science:具有超分子运动增强的生物活性支架促进脊髓损伤恢复

【引言】

细胞的药理学信号通常通过有机小分子与激活或抑制特定反应的蛋白质的强结合来进行。一种新兴的信号策略是使用靶向特定细胞的纳米结构来传递治疗性药物或材料，作为细胞外空间中的生物活性支架。触发组织再生的细胞信号材料模拟了天然细胞外基质（ECMs）的纤维成分。基于材料的刚度和粘弹性可以调节细胞行为多个方面的发现，机械生物学一直是这一想法背后科学的重要组成部分。该领域欠发达的方面是承载受体信号的材料的分子设计，以及这些信号与人工支架内分子运动之间的联系。生物活性信号已被纳入共价聚合物。一个普遍研究的信号是肽RGDS，存在于细胞外纤维中，如纤连蛋白，可促进细胞粘附。由单体之间的非共价结合形成的超分子聚合物具有再生信号的潜在优势，源于其信号密度易于调节，它们能够在结构上模拟天然ECM纤维的高持久性长度，以及它们在发挥作用后的快速生物降解。

今日，美国西北大学S. I. Stupp教授（通讯作者）描述了包含两种不同信号的肽两亲性超分子聚合物，并在严重脊髓损伤的小鼠模型中对其进行测试。一个信号激活跨膜受体β1-整合素，第二个信号激活碱性成纤维细胞生长因子2受体。通过突变非生物活性域中两亲单体的肽序列，加强了支架原纤维内分子的运动。从而导致了血管生长、轴突再生、髓鞘形成、运动神经元存活、神经胶质增生减少和功能恢复的显著差异。本文的假设可以通过调整分子的内部运动来优化分子集合的细胞信号传导。相关研究成果以“Bioactive scaffolds with enhanced supramolecular motion promote recovery from spinal cord injury”为题发表在Science上。

【图文导读】

图一、超分子聚合物合成与表征

图二、超分子运动对体外hNPCs信号传导的影响

图三、皮质脊髓轴突生长的差异

图四、血管生成的差异

图五、神经元存活和功能恢复的差异

图六、细胞信号差异

【小结】

综上所述，本文的工作表明在物理和计算上显示出更大的超分子运动的生物活性支架会导致小鼠模型中脊髓损伤的功能恢复更大。在非共价聚合的生物活性分子的一维支架中，预计多价效应有助于聚集受体以进行有效的信号传导。同时，还预计超分子支架的内部结构可以限制自由运动，并有利地将信号定向到垂直于其纤维轴的受体。然而，这项工作中的意外发现是，在工作台上测量的生物活性原纤维内分子运动的强度与增强的轴突再生、神经元存活、血管再生和脊髓损伤的功能恢复相关。然而，计算机模拟和实验数据确实表明，在组件内部或垂直方向外部进行纳米级的平移以到达受体位点可能会增强生物活性。也就是说，高度灵活且物理塑料的超分子支架可能更有效地向经历快速形状波动的细胞膜中的受体发出信号。恢复原因的另一种假设可能是分子动力学支架与ECM的蛋白质环境的更有利的相互作用。在超分子运动和生物活性之间的相关发现的背景下，生物系统中存在普遍的内在无序蛋白质。结果表明，动力学结构设计有助于优化治疗性超分子聚合物的生物活性。

文献链接：“Bioactive scaffolds with enhanced supramolecular motion promote recovery from spinal cord injury”(Science，2021，10.1126/science.abh3602)

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