今日Science:具有超分子運動增強的生物活性支架促進脊髓損傷恢復

【引言】

細胞的藥理學信號通常通過有機小分子與激活或抑制特定反應的蛋白質的強結合來進行。一種新興的信號策略是使用靶向特定細胞的納米結構來傳遞治療性藥物或材料，作為細胞外空間中的生物活性支架。觸發組織再生的細胞信號材料模擬了天然細胞外基質（ECMs）的纖維成分。基于材料的剛度和粘彈性可以調節細胞行為多個方面的發現，機械生物學一直是這一想法背后科學的重要組成部分。該領域欠發達的方面是承載受體信號的材料的分子設計，以及這些信號與人工支架內分子運動之間的聯系。生物活性信號已被納入共價聚合物。一個普遍研究的信號是肽RGDS，存在于細胞外纖維中，如纖連蛋白，可促進細胞粘附。由單體之間的非共價結合形成的超分子聚合物具有再生信號的潛在優勢，源于其信號密度易于調節，它們能夠在結構上模擬天然ECM纖維的高持久性長度，以及它們在發揮作用后的快速生物降解。

今日，美國西北大學S. I. Stupp教授（通訊作者）描述了包含兩種不同信號的肽兩親性超分子聚合物，并在嚴重脊髓損傷的小鼠模型中對其進行測試。一個信號激活跨膜受體β1-整合素，第二個信號激活堿性成纖維細胞生長因子2受體。通過突變非生物活性域中兩親單體的肽序列，加強了支架原纖維內分子的運動。從而導致了血管生長、軸突再生、髓鞘形成、運動神經元存活、神經膠質增生減少和功能恢復的顯著差異。本文的假設可以通過調整分子的內部運動來優化分子集合的細胞信號傳導。相關研究成果以“Bioactive scaffolds with enhanced supramolecular motion promote recovery from spinal cord injury”為題發表在Science上。

【圖文導讀】

圖一、超分子聚合物合成與表征

圖二、超分子運動對體外hNPCs信號傳導的影響

圖三、皮質脊髓軸突生長的差異

圖四、血管生成的差異

圖五、神經元存活和功能恢復的差異

圖六、細胞信號差異

【小結】

綜上所述，本文的工作表明在物理和計算上顯示出更大的超分子運動的生物活性支架會導致小鼠模型中脊髓損傷的功能恢復更大。在非共價聚合的生物活性分子的一維支架中，預計多價效應有助于聚集受體以進行有效的信號傳導。同時，還預計超分子支架的內部結構可以限制自由運動，并有利地將信號定向到垂直于其纖維軸的受體。然而，這項工作中的意外發現是，在工作臺上測量的生物活性原纖維內分子運動的強度與增強的軸突再生、神經元存活、血管再生和脊髓損傷的功能恢復相關。然而，計算機模擬和實驗數據確實表明，在組件內部或垂直方向外部進行納米級的平移以到達受體位點可能會增強生物活性。也就是說，高度靈活且物理塑料的超分子支架可能更有效地向經歷快速形狀波動的細胞膜中的受體發出信號。恢復原因的另一種假設可能是分子動力學支架與ECM的蛋白質環境的更有利的相互作用。在超分子運動和生物活性之間的相關發現的背景下，生物系統中存在普遍的內在無序蛋白質。結果表明，動力學結構設計有助于優化治療性超分子聚合物的生物活性。

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

本文由材料人CYM編譯供稿。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu。