《BM》一種基于細胞運動性的選擇性水凝膠能夠快速生成修復神經的血凝塊！

神經修復是治療神經系統疾病患者的一項重要臨床需求。研究人員持續探索創新療法，通過向神經系統注入具有再生潛力的細胞、神經營養因子和基因對抗神經退行性疾病、缺血性病變及創傷性損傷。血凝塊來源于血液，具有止血功能，富含血小板及促進組織再生的生長因子。含有營養物質的血凝塊可促進多種組織修復，但由于存在紅細胞相關的神經毒性風險，其在神經修復中的應用受到限制。基于此，四川大學華西醫院茍馬玲等開發一種基于細胞運動性的選擇性水凝膠，可快速生成具有神經修復功能的血凝塊，且對紅細胞毒性可忽略不計。這種源自明膠且具有納米膠體結構的水凝膠，通過其納米結構內差異化的細胞運動性促進神經干細胞（NSCs）的遷移，同時阻隔紅細胞通過。在快速形成血栓后，含有血液來源生長因子的水凝膠促進內源性NSCs的募集。水凝膠中的納米膠體結構促進了神經干細胞（NSCs）的遷移與分化，從而修復神經組織。水凝膠中的納米膠體結構促進NSCs的遷移與分化，從而修復神經組織。在大鼠和豬模型中，該水凝膠能夠誘導快速止血并在體內促進神經修復，從而改善神經功能。本研究為利用基于細胞運動性的選擇性水凝膠生成神經修復性血栓提供概念驗證，為未來的神經修復方法提供靈感。

相關研究內容以“A cell motility-based selective hydrogel enables rapid generation of nerve-repairing blood clots”為題于2026年5月15日發表在《Bioactive Materials》。

圖1 細胞運動性選擇性水凝膠用于快速生成神經修復性血凝塊

本研究展示一種基于細胞運動性的選擇性水凝膠，該水凝膠具有納米膠體結構，通過利用紅細胞（RBCs）與NSCs之間的運動性差異實現細胞選擇性（圖1）。通過在淺層阻滯紅細胞，并促進NSCs向內部遷移并分化為神經細胞，這種基于細胞運動性的選擇性水凝膠能夠快速形成具有神經修復功能的血栓，并實現后續的神經組織再生。

圖2 Nano-gelatin的制備與表征

為開發一種用于止血及后續神經修復的生物材料，本研究通過明膠甲基丙烯酰酯（GelMA）與Pluronics F68（簡稱F68）的自組裝及后續冷凍干燥工藝，設計一種納米結構明膠（nano-gelatin）冷凍凝膠（圖2A）。采用GelMA冷凍凝膠、多孔GelMA冷凍凝膠以及明膠海綿（神經外科常用材料）作為對照組（圖2B）。通過掃描電子顯微鏡（SEM）對微觀結構進行表征：nano-gelatin呈現出獨特的納米結構網絡，其微納級孔隙相互連通，與GelMA及多孔GelMA的結構存在顯著差異（圖2C、D）。隨后對凍干狀態下的材料進行表征。本研究中，nano-gelatin冷凍凝膠表現出最佳的親水性和開放孔隙率，有利于實現快速血液吸附（圖2E-G）。此外，nano-gelatin冷凍凝膠的負表面電位有助于吸附凝血因子，從而促進有效血凝塊的形成（圖2H）。經測試發現nano-gelatin的溶脹率顯著低于其他材料（圖2I），從而減輕腦組織受壓及植入后的損傷。流變學測試表明，nano-gelatin的儲能模量（G′）為301–483 Pa，損耗模量（G″）為26–65 Pa，彈性模量為369 ± 57 Pa（圖2J-L）。以上結果表明，nano-gelatin可作為支架填充于手術創面，以促進止血后的神經修復。

圖3 基于細胞運動性的nano-gelatin選擇性能力

Nano-gelatin水凝膠的納米膠體結構使其能夠根據細胞的運動能力進行選擇性篩選（圖3A）。為探究nano-gelatin基于細胞運動性的選擇性能力，對三種類型的細胞進行實驗。首先是其對RBCs的阻滯效應。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，紅細胞被動地滯留于nano-gelatin表面（圖3B）。細胞遷移實驗表明，細胞能夠從表面浸潤并遷移至nano-gelatin水凝膠內部。相比之下，在GelMA水凝膠內部僅觀察到可忽略不計數量的細胞（圖3C）。延時成像顯示，nano-gelatin水凝膠內的細胞能夠動態遷移，同時伴隨水凝膠納米結構的形變（圖3D），表明nano-gelatin水凝膠具有良好的細胞適應性。接下來檢測在nano-gelatin水凝膠中NSCs的遷移情況：細胞遷移實驗表明，NSCs能有效從nano-gelatin表面向內部遷移（圖3E）；而延時成像技術則顯示，它們在nano-gelatin水凝膠內表現出顯著的突起運動活性（圖3F）。為闡明細胞運動性是否驅動選擇性浸潤，使用肌動蛋白細胞骨架抑制劑細胞松弛素B（CB，2μg/mL）對NSCs進行預處理。隨著時間的推移，未經處理的NSCs主動深入滲透至nano-gelatin內部，在8小時后達到91.15 ± 4.44 μm的滲透深度。相比之下，經CB處理但運動能力缺陷的NSCs仍局限于表面（滲透深度為8.48 ± 3.20 μm），這一行為與無運動能力的RBCs相當（滲透深度為5.09 ± 1.07 μm）（圖3G–H）。Nano-gelatin水凝膠孔徑分布定量分析結果顯示：nano-gelatin孔隙的直徑為0.94μm，在缺乏主動運動能力的情況下，細胞浸潤僅限于表面（圖3I）。以上結果表明nano-gelatin能選擇性阻滯淺層中的紅細胞，同時允許NSCs等細胞遷移至其內部，表明該材料具有降低紅細胞相關毒性并支持后續神經修復功能的潛力。

圖4 Nano-gelatin的止血性能

為評估體外凝血性能，通過測定凝血后上清液中的血紅素含量進行血液凝固指數（BCI）檢測（圖4A）。與其他冷凍凝膠相比，nano-gelatin冷凍凝膠在0~5分鐘期間表現出更低的BCI值（圖4B），表明該nano-gelatin冷凍凝膠能夠促進血液凝固。在大鼠肝臟及上矢狀竇出血模型中研究nano-gelatin冷凍凝膠的體內止血能力（圖4C）。與對照組相比，nano-gelatin冷凍凝膠組的失血量顯著減少（圖4D–E）。接著采用豬模型驗證nano-gelatin冷凍凝膠的止血效果。在肝損傷止血實驗中，nano-gelatin組的失血量顯著低于明膠海綿組（圖4F-H），表明其具有優異的體內止血效果。更重要的是，nano-gelatin冷凍凝膠在神經外科手術中表現出卓越的止血性能。其在1分鐘內實現100%的止血率，顯著高于明膠海綿組（圖4I-K）。以上研究結果表明，nano-gelatin冷凍凝膠在體外和體內均具有卓越的止血能力。

圖5 Nano-gelatin的止血模式與機制

Nano-gelatin形成獨特的淺層止血模式（圖5A）。明膠海綿在血液吸收后會形成全層血凝塊，而GelMA及多孔GelMA冷凍凝膠僅形成表層血凝塊（圖5B）。為研究nano-gelatin對凝血過程中關鍵組分的影響，采用SEM觀察材料表面血細胞及纖維蛋白的形態（圖5C）。觀察到nano-gelatin冷凍凝膠表面存在大量血細胞及豐富的纖維蛋白，表明其具有顯著的主動止血作用。

圖6 Nano-gelatin通過阻斷RBCs減輕神經損傷

為研究nano-gelatin在止血和神經修復中的作用，建立手術性腦損傷（SBI）的大鼠模型。取出植入不同冷凍凝膠的大腦組織后，宏觀圖像顯示，與對照組相比，nano-gelatin組的血液滯留量極少（圖6A）。HE染色顯示nano-gelatin組呈現淺表性止血模式，其特征為紅細胞聚集主要發生在表層冷凍凝膠基質內。相比之下，多孔GelMA組和明膠組則表現出顯著的紅細胞向損傷部位浸潤（圖6B、C）。隨著時間推移，腦組織中浸潤的紅細胞代謝產生含鐵血黃素——一種神經毒性物質。組織學切片顯示，nano-gelatin組的含鐵血黃素沉積量顯著少于對照組（圖6D、E）。為進一步驗證nano-gelatin對神經毒性的緩解作用，首先在植入后第3天進行全腦MRI掃描。與對照組相比，nano-gelatin組的腦水腫程度極輕微（圖6F）。在術后第7天采用 TUNEL 檢測法和CD68免疫熒光染色法評估細胞凋亡和炎癥水平。與對照組相比，nano-gelatin組表現出最低的細胞凋亡水平和最輕微的炎癥細胞浸潤（圖6G-I）。以上研究結果表明，nano-gelatin可將紅細胞限制在其表層，減少紅細胞向腦組織的浸潤及隨之產生的含鐵血黃素沉積，并減輕神經組織損傷。

圖7 Nano-gelatin對NSCs的作用及機制

止血后，nano-gelatin形成具有神經修復功能的血凝塊。其表層含有少量紅細胞（RBC），而深層則富含源自血液的生物活性成分（圖7A）。SEM觀察顯示nano-gelatin內部存在明顯的血清浸潤現象，通過檢測血清主要成分白蛋白（ALB）進一步證實（圖7B、C）。帶負電荷的nano-gelatin能有效吸附神經生長因子（NGF）和基質細胞衍生因子-1（SDF-1），有助于NSCs的募集與存活（圖7D、E）。進一步通過Transwell遷移實驗驗證nano-gelatin對NSCs的募集作用。nano-gelatin組中遷移的NSCs數量相比，明顯多于Ge lMA組、多孔GelMA組和明膠海綿組（圖7F、G）。活/死細胞檢測和CCK-8實驗表明，NSCs存活狀況良好且呈現鋪展形態，而明膠海綿未能支持NSCs的黏附（圖7H、I）。Nano-gelatin水凝膠中樁蛋白、黏著斑蛋白和F-actin的表達區域均有所增加，表明該納米結構可增強細胞與基質的相互作用并促進細胞遷移（圖7J）。免疫熒光結果顯示，nano-gelatin組的NSCs主要分化為神經元，而對照組的NSCs則主要分化為星形膠質細胞（圖7K）。為進一步探究nano-gelatin影響NSCs的潛在機制，從在nano-gelatin上培養7天的NSCs中提取RNA，并進行全轉錄組測序分析。與常規條件下培養的NSCs進行比較。如火山圖所示，與對照組相比，nano-gelatin組表現出2161個上調基因和2035個下調基因（圖7L）。GO富集分析顯示，nano-gelatin組與對照組之間的差異表達基因（DEGs）在“細胞分裂”和“細胞遷移的正向調控”功能類別中顯著富集（圖7M）。KEGG 富集分析表明，DEGs主要富集于“黏著斑”、“細胞外基質-受體相互作用”和“MAPK”等信號通路（圖7N）。隨后對參與“黏著斑”通路的差DEGs進行分析（圖7O）。基于上述結果，提出假設：nano-gelatin通過其納米膠體結構，經由黏著斑通路增強NSCs的運動能力；同時通過MAPK信號通路促進其神經元分化（圖7P）。以上研究結果表明，nano-gelatin水凝膠為NSC的募集、遷移和分化提供有利的微環境，從而有助于神經修復。

圖8 28天內的神經功能評估與神經修復

圖9 血凝塊與神經組織界面的演變

首先評估SBI模型大鼠在材料植入后28天內的神經功能恢復情況。采用Garcia評分、錯誤步數百分比及平衡木測試作為綜合評估方法評價功能恢復情況（圖8A）。術后第一天，nano-gelatin組的Garcia評分和平衡木評分均低于正常大鼠組，且失足發生率更高。隨著時間推移，nano-gelatin組大鼠的神經功能逐漸恢復。至第28天，nano-gelatin組的Garcia評分恢復至18.0 ± 0.8；平衡木評分改善至4.4 ± 0.7，錯誤步態率降至10.6% ± 6.0%，與其他對照組相比均顯示出顯著差異（圖8B）。為評估28天的腦損傷愈合情況，7T MRI顯示nano-gelatin組的病灶腔面積較對照組更小（圖8C、D）。損傷區域神經絲蛋白（NF200）與髓鞘堿性蛋白（MBP）的雙重熒光染色結果反映新生神經纖維的形成及其髓鞘化過程。數據顯示，與對照組相比，nano-gelatin組的NF200和 MBP 表達水平顯著升高（圖8E-G）。

Nano-gelatin水凝膠在降解過程中毒性較低，從而在材料-組織界面為神經修復創造空間（圖9A、G）。對第7天至第28天病變部位經HE染色的腦切片進行組織病理學分析，結果顯示血栓逐漸溶解及nano-gelatin降解的跡象更為明顯（圖9B、H）。隨后進一步研究材料-組織界面處的神經修復過程。術后第7天采用Nestin和Doublecortin（DCX）免疫熒光染色法評估早期神經修復情況。nano-gelatin組的Nestin表達水平顯著高于其他各組，表明內源性NSC募集增強（圖9C、E）。DCX免疫熒光檢測顯示nano-gelatin組的表達水平最高（圖9D、F）。NeuN陽性染色表明成熟神經元已形成，且nano-gelatin組的NeuN表達水平高于對照組（圖9I、K）。此外，GFAP染色顯示損傷部位存在膠質瘢痕形成，這種瘢痕不利于神經修復。結果表明，nano-gelatin組的膠質瘢痕形成程度低于明膠海綿組（圖9J、L）。綜上研究結果表明，nano-gelatin及其產生的血凝塊會隨時間推移逐漸降解，并在材料-組織界面促進神經修復。

全文小結

綜上所述，本研究設計一種基于細胞運動性的納米結構選擇性水凝膠，并將其凍干制成冷凍凝膠，用于神經外科止血及后續神經修復。憑借其納米膠體結構，該水凝膠能在表層阻滯紅細胞，形成神經毒性較低的血凝塊；同時還能招募內源性NSCs遷移至水凝膠中，并分化為神經細胞。該水凝膠有效誘導快速止血，并在體內促進神經修復，從而顯著改善神經功能。這種基于細胞運動性的選擇性水凝膠具有外科應用潛力，并將為未來生物材料的研發提供靈感。