研究背景
脊髓损伤是由外伤引起的中枢神经系统损伤，其发病率每百万人可达15~40例，导致全球每年经济损失高达400亿美元[1]。脊髓损伤修复是当前面临的挑战，目前尚无一种方法可以完全治愈脊髓损伤。干细胞，尤其是间充质干细胞（MSC），被用于修复和改善脊髓损伤。已有研究证明，间充质干细胞对脊髓损伤具有一定的治疗效果，尤其是其分泌的细胞外囊泡（EV）被认为是治疗获益的关键。然而，直接给药间充质干细胞或细胞外囊泡的缺点是大部分会进入其他组织的血液中，很少能够迁移到中枢神经系统。最近，研究人员开发了一种在肽修饰的水凝胶中固定细胞外囊泡的方法，用于治疗脊髓损伤，该方法的细胞外囊泡递送效率优于传统方法[2]。
然而，这种方法的递送效率和持续时间不足以发挥其最佳治疗效果[3]。因为脊髓损伤引起的神经炎症和神经元凋亡的治疗需要持续至少1周，但是传统方法无法持续输送足够的细胞外囊泡，这是急需解决的问题之一。此外，直接移植间充质干细胞或细胞外囊泡到脊髓损伤部位可能会损害周围健康组织，导致一些不可预测的副作用[4]。因此，开发一种能够实现高效、持续供给细胞外囊泡的装置对急性脊髓损伤的治疗起着至关重要的作用。
摘要
2023年7月7日，浙江大学医学院王绪化研究员课题组在《Nature Communications》上发表了题为《Porous microneedle patch with sustained extracellular vesicles delivery mitigates severe spinal cord injury》的研究。
该团队开发了一种基于间充质干细胞的多孔微针贴片（MN-MSC），其中包含间充质干细胞和微针阵列，用于将细胞外囊泡递送到脊髓组织损伤区域进行治疗。该贴片具有与脊髓机械强度匹配的微针阵列，可以防止周围脊髓组织受损，而多孔微结构有助于细胞外囊泡的递送。间充质干细胞能够持续提供细胞外囊泡。这项研究为脊髓损伤的治疗提供了新的思路。间充质干细胞分泌的细胞外囊泡已成为一种有希望抑制脊髓损伤引发神经炎症的治疗方法，然而，如何有效地将细胞外囊泡递送到脊髓损伤区域并对周围组织或轴突损伤最小化仍然是一个挑战。因此，提出了一种通过持续递送细胞外囊泡来治疗脊髓损伤的贴片。该团队评估了基于间充质干细胞的多孔微针贴片在脊髓损伤大鼠模型中的疗效，并发现它可以改善组织损伤区域的微环境，促进血管生成，保护残留的神经组织。重要的是，持续递送细胞外囊泡至少7天可导致显著的功能恢复。这种基于间充质干细胞的多孔微针贴片为脊髓损伤患者的康复带来了希望。
研究结果
如图1、2所示，研究开发的基于间充质干细胞的多孔微针贴片具有良好的纳米尺寸（约100nm），良好的生物相容性和力学性能，并且在体内具有高效、持续递送细胞外囊泡的能力。在体内，间充质干细胞可以在损伤部位存活足够长的时间，达到脊髓损伤的最佳治疗时间。该研究团队提出了这种方法是为了在不需要直接将间充质干细胞引入脊髓的基础上提高治疗效果。该微针贴片能够持续递送细胞外囊泡，在植入的第7天，细胞仍然存活良好，并且释放的细胞外囊泡能够成功递送至脊髓的损伤区域，实现对脊髓损伤的持续治疗，如图3所示。
图 1. 脊髓损伤部位基于间充质干细胞的多孔微针贴片的植入示意图
图 2. 基于间充质干细胞的多孔微针贴片的表征
图 3. 植入7天后，基于间充质干细胞的多孔微针贴片的细胞外囊泡持续递送治疗
在验证了基于间充质干细胞的多孔微针贴片的修复功能后，该团队对设计的基于间充质干细胞的多孔微针贴片的实际疗效进行了更系统的评价。通过基因表达和组织形态的对比分析（图4-5），在治疗组中发现，虽然MN-EV和Gel-MSC具有一定的治疗效果，但是MN-MSC组的大鼠显示出更明显的治疗效果，并实现了更明显的功能恢复（图6-7），更接近于正常大鼠。这些结果表明，基于间充质干细胞的多孔微针贴片能够发挥神经保护效果，帮助脊髓损伤大鼠最终恢复运动功能。
该研究不仅开发了一种高效、持续递送细胞外囊泡的微针贴片，促进了脊髓损伤后的功能恢复，还为细胞外囊泡在脊髓损伤治疗中提供了新的思路和方法。研究结果表明，通过持续有效地递送细胞外囊泡至损伤区域，缓解炎症并保护神经组织是一种高效的脊髓损伤治疗方法。该研究团队构建了一种基于间充质干细胞的多孔微针贴片，可以持续递送间充质干细胞的囊泡到达脊髓组织的损伤部位，并避免了细胞外囊泡的一次性流失。该贴片的微针部分由生物相容性良好的多孔GelMA水凝胶制成，可长时间停留在病变组织的顶部，并保持持续释放至最佳的治疗时间，实现了间充质干细胞囊泡的最大疗效。
图4. 基于间充质干细胞的多孔微针贴片治疗脊髓损伤的基因表达分析
图5. 基于间充质干细胞的多孔微针贴片对脊髓损伤的保护作用
图6. 基于间充质干细胞的多孔微针贴片治疗改善脊髓损伤大鼠的后肢功能的恢复
图7. 电生理实验显示基于间充质干细胞的多孔微针贴片治疗对大鼠肌肉有较好的控制作用
研究展望
尽管研究团队已经取得了一定的治疗效果，但脊髓损伤微针贴片的开发仍有很大提升空间。在后续的研究过程中，王教授团队已经独立研发了高光吸收截面引发剂，可应用于个性化多孔微针的精密双光子打印，其打印精度远高于现有的商用引发剂。这有望进一步提高微针贴片的治疗效果，实现更完全的功能修复。
未来，他们将继续优化个性化MSC多孔微针贴片的设计和制造，力争在数年内成功将一种安全高效的脊髓损伤治疗微针贴片推向临床转化，造福更多脊髓损伤患者。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39745-2
通讯作者简介
王绪化，浙江大学脑科学与脑医学学院研究员。实验室主要研究治疗中枢神经系统疾病的药物及药物递送系统。主要研究兴趣包括：大语言模型、基于人工智能技术的药物设计和AAV基因递送载体的设计开发。实验室详情请参考实验室主页（www.zjuwanglab.com）。
浙江大学脑科学与脑医学学院王绪化教授为通讯作者，方奥博士为论文第一作者，共同第一作者为硕士生王逸凡，关乃瑜博士，左彦明博士。该研究得到南通大学顾晓松院士及其团队的大力支持。感谢浙江大学段树民院士为项目的开展提供有力支撑。该研究得到国家科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大项目、国家自然科学基金、浙江省杰出青年科学基金、中央高校基本科研业务费专项等基金的资助。
参考文献
1a.Ahuja, C.S. et al. Traumatic spinal cord injury. Nat Rev Dis Primers 3, 17018 (2017).
1b.Olson & Lars. Medicine: clearing a path for nerve growth. Nature 416, 589 (2002).
2. Li L, et al. Transplantation of human mesenchymal stem-cell-derived exosomes immobilized in an adhesive hydrogel for effective treatment of spinal cord injury. Nano letters 20, 4298-4305 (2020).
3. Zhang S, Chuah SJ, Lai RC, Hui JHP, Lim SK, Toh WS. MSC exosomes mediate cartilage repair by enhancing proliferation, attenuating apoptosis and modulating immune reactivity. Biomaterials 156, 16-27 (2018).
4. Mukherjee N, Adak A, Ghosh S. Recent trends in the development of peptide and protein-based hydrogel therapeutics for the healing of CNS injury. Soft Matter 16, 10046-10064 (2020).