水凝胶支架中神经营养因子的化学固定与缓释及其调控干细胞分化的研究

For the treatments of neurodegenerative diseases, one of the crucial strategies is the engineering of cellular microenvironment to induce the neuron differentiation of stem cells for the repair or replacement of damaged and lost neurons. The hydrogel scaffolds can realistically mimic the in vivo microenvironment. Moreover, the introduction of bioactive factor in hydrogel scaffolds is capable of regulating cell behaviors. Currently, the encapsulation of bioactive factor in hydrogels mainly relies on the penetration or encapsulation via physical interaction. However, the binding efficiency of bioactive factor with receptor on cell surface might be affected due to the high diffusion rate. Herein, we aim to improve the stability and efficiency of bioactive factors in hydrogel scaffolds. The brain-derived neurotrophic factor (BDNF) that can promote the neuron differentiation of stem cells is selected. BDNF can be modified with functional groups to form the biodegradable hydrogel with extracellular matrix mimetic polymers and peptides through chemical crosslinking, realizing the chemical immobilization of BDNF in hydrogel. This hydrogel will be utilized as the three dimensional scaffold for neural stem cells (NSCs), the enzyme-triggered degradation of hydrogel can induce the sustained release of BDNF. The effects of chemical immobilization and sustained release of BDNF on the differentiation behaviors of NSCs will be systematically investigated. This research will provide new ideas and strategies for enhancing the efficiency of bioactive factors in hydrogel scaffolds.

治疗神经退行性疾病的重要策略之一是通过对微环境的模拟和调控，诱导干细胞定向分化为神经元，修复或替代受损缺失的神经元。水凝胶支架能够模拟体内微环境，在支架中加入生物活性因子，可调控干细胞的分化。目前，在水凝胶支架中加入生物活性因子的研究主要是通过物理作用的渗入或包载。而因子扩散率高，易影响其与细胞表面受体的结合效率。本项目旨在提高生物活性因子在水凝胶支架中的稳定性和作用效率，拟选用可促进干细胞向神经元分化的神经营养因子并对其进行功能化修饰，结合模拟细胞外基质成分的高分子及多肽，通过交联反应构建化学包载神经营养因子的生物可降解水凝胶,实现因子在水凝胶中的化学固定；进一步，将水凝胶作为神经干细胞培养支架，通过水凝胶的酶促降解来实现因子的缓释。本项目将考察神经营养因子在水凝胶支架中的化学固定与缓释对神经干细胞分化行为的影响，为实现生物活性因子在水凝胶支架中的高效性提供新的思路和策略。

神经退行性疾病主要特点是神经元逐渐退化或死亡，导致神经系统功能障碍。然而神经元属于终末分化细胞，不具有分裂增殖能力。因此，提高干细胞向神经元分化的效率，以获得足够的神经元，是干细胞治疗神经退行性疾病的关键策略之一。水凝胶中材质柔软，接近体内机体组织结构，能够模拟体内微环境，为干细胞分化提供良好的三维微环境。生物活性因子可通过与细胞表面受体结合来调节细胞功能，对促进干细胞分化起着重要的作用。在支架中加入生物活性因子，可调控干细胞的分化。活性因子多为蛋白类，存在半衰期短且易扩散率的问题，影响其与细胞表面受体的结合效率。针对生物活性因子在水凝胶支架中稳定性和效率问题，本项目实现了生物活性因子在水凝胶支架中的化学固定与缓释。对脑源性神经营养因子（BDNF）进行功能化修饰，将其作为交联剂，结合功能化修饰的生物可降解天然高分子透明质酸（HA）、昆布糖（LA）和多肽RGD，通过化学交联构建了化学包载BDNF的生物可降解HA/LA/BDNF水凝胶支架，从而实现因子在支架中的化学固定。水凝胶支架具有三维多孔结构，机械性能接近脑组织，在透明质酸酶作用下可降解，缓释BDNF；水凝胶具有良好的生物相容性，为干细胞提供良好的三维生长环境，体外细胞实验及体内动物实验验证了BDNF在水凝胶中的化学固定有效提高了干细胞向神经元的分化比例，为实现生物活性因子在水凝胶支架中的高效性提供新策略和理论依据。进一步，利用支架的导电性能，构建了电刺激响应的细胞支架材料，利用外场调控促进了干细胞的分化效率；通过BDNF工程化活性细胞因子实现了干细胞的分化效率的有效提高，为干细胞治疗神经退行性疾病提供具有应用前景的生物材料。