《自然》小鼠中枢神经系统的异物反应模仿自然
生物材料在中枢神经系统（CNS）中的实验和治疗应用方面正在广泛研究中。具有特殊性质的生物材料已被并入可植入的神经假体中，这些假体在临床上用于记录神经元活动并刺激中枢神经系统中的神经回路。另外，可注射生物材料水凝胶被广泛用作实验工具，以提供生长因子的局部递送，例如，吸引受伤的和再生的轴突在中枢神经系统病变中生长，并为共悬浮的神经祖细胞提供分子和物理支持在移植到CNS时提高生存率并调节分化。
尽管可以将各种类型的生物材料用于中枢神经系统，但是合成或天然衍生的聚合物是直接与宿主中枢神经系统组织和细胞接口的主要选择。对于神经假体，各种各样的聚合物被用作金属电极的外部基底或涂层，旨在改善器械的插入和体内的长期性能。另外，还正在开发基于导电聚合物的新装置。对于水凝胶，在合成具有可调节理化特性的新聚合物方面取得了可观的进展，从而实现了分子释放的时空控制或为共悬浮细胞提供了独特的支持。
尽管在用于CNS应用的生物材料的许多工程和设计方面进行了创新，但对于决定体内对这些材料的CNS异物应答（FBR）的体内因素或此类应答如何影响功能的了解甚少。通常主要在体外或通过体内皮下植入来评估生物材料与宿主细胞的界面的细胞毒性和生物相容性或生物材料功能（例如分子释放动力学）的评估。但是，体外观察和与皮下植入生物材料相关的FBR无需预测中枢神经系统的体内性能，中枢神经系统具有高度专业化和独特的多细胞伤口反应，可用于隔离受损组织并恢复屏障功能。
在了解中枢神经系统伤口反应方面取得了重大进展，这可以为中枢神经系统FBRs的研究提供参考。CNS伤口反应是生物学上保守的过程，其中CNS组织的扰动导致动态多细胞相互作用，该相互作用有效地隔离了被感知为受损，感染或患病的区域，以保护相邻的存活神经组织，并允许募集的炎症解决潜在的有害元素。这种多细胞中枢神经系统伤口反应产生组织损伤，其特征在于明显的非神经和神经细胞隔室，其中具有基质细胞和炎性细胞的非神经损伤核心通过星形胶质细胞边界与相邻的备用和存活的神经组织隔离。细胞对被认为是外来物质的反应可能与这种多细胞自然伤口反应有关，但是对体内生物材料的中枢神经系统FBRs的研究未能跟上中枢神经系统损伤细胞生物学方面的最新进展。需要更好地理解：（i）CNS FBR与生物材料的关键细胞相互作用，（ii）影响CNS FBRs严重性的生物材料特性，以及（iii）CNS FBRs影响体内生物材料功能的程度。最近，加州大学洛杉矶分校Michael V. Sofroniew教授团队通过比较多种合成的和天然衍生的基于水凝胶的生物材料来评估这些参数。参见Foreign body responses in mouse central nervous system mimic natural wound responses and alter biomaterial functions一文在《Nature Communications》上。
作者确定特定分子特征对生物材料诱发的FBR的影响的平台，使用了合成的二嵌段共多肽水凝胶（DCH），可以轻松对其进行修饰以向宿主细胞提供具有不同代表性理化性质的界面，同时保持一致的聚合物链长和机械性能。这些剪切稀薄的物理水凝胶可以通过狭窄的插管以微创方式以局灶性CNS区域给药，确保通过植入生物材料引起的组织损伤最小，否则可能混淆宿主生物材料的CNS FBR评估接口。此外，由于这些水凝胶可以制备成具有与CNS组织相同的机械刚度（大约100-400 Pa），因此可以将它们固定并原位处理，并保持与紧邻的宿主细胞的紧密接触，以便直接邻接的生物材料–主机接口可以进行详细检查和量化。这种类型的分析不可能用刚性，机械刚性或疏水性材料以及涂覆的电极进行，在组织切片之前必须将其去除，因为这种去除总是会破坏直接的材料-细胞界面，因此无法对其进行评估。
作者使用DCH对所发现得进行了基准测试，该DCH提出了针对各种常用的，市售的和先前经过CNS测试的水凝胶制剂的生理化学定义的界面。将生物材料FBR与使用化学诱导的缺血性中风建模的自然诱发的中枢神经系统伤口反应进行了比较，该化学中风的大小与水凝胶贮库相当。当将水凝胶注射入健康未受伤的大脑或亚急性中风病灶时，测试了CNS FBR对水凝胶功能的影响。表明生物材料的中枢神经系统FBRs模仿中枢神经系统伤口愈合的保守元素，并存在于以特定不同类型的非神经细胞存在或不存在为特征的可定义的严重性光谱上。表明中枢神经系统FBRs的性质和强度是由可定义的材料特性决定的，并在健康和中风受伤的大脑中引起水凝胶功能（例如吸收和分子递送）的可量化差异。最后，作者发现由注入CNS中风的某些水凝胶引起的严重FBR可以破坏自然发生的修复性伤口反应。
1.水凝胶诱发的FBR变化并模仿CNS伤口反应
图1：水凝胶诱发的FBR发生变化，并表现出CNS伤口反应的细胞特征。a合成水凝胶的示意图和化学结构，用作研究中枢神经系统FBR的工具。b小鼠前脑尾状壳（CP）体内注射的实验模型。c，d在注射PBS，水凝胶或L-NIO诱发的中风后1周，对基质和炎性细胞（CD13），星形胶质细胞（GFAP）和神经元（NeuN）进行调查并显示详细图像。e–g免疫组织化学总染色的定量。e CP中的CD13总数。f非神经或神经组织区室中的总CD13。g CP中的总GFAP。
2.FBR随可定义的水凝胶性质而变化
图2：与宿主细胞呈现阳离子界面的水凝胶显示出增加的FBR严重性。a，b注射非离子和阴离子a和阳离子b水凝胶后1周，调查基质和炎性细胞（CD13），星形胶质细胞（GFAP）和所有细胞核（DAPI）的图像。c–e总免疫组织化学染色的定量。c，d非神经c和神经d组织区室中的总CD13。e NS尾状壳中的总GFAP，采用Bonferroni进行单向ANOVA。
3.水凝胶FBR在炎症细胞募集/持久性方面有所不同
图3：不同的水凝胶吸引强度和细胞表型不同的炎症反应。a注射DCHMO，DCHK，DCHMM水凝胶（G）1周后炎症细胞募集差异的细节图。b细节图显示，尽管DCHMO，DCHK和DCHMM引发了不同的FBR，但CNS衍生的P2RY12阳性小胶质细胞并未迁移到非神经组织区室中。c水凝胶-组织界面的详细图像显示了注射后1周时阳离子水凝胶表面Ly6B2阳性中性粒细胞的募集和持久性增强。d注射后1周水凝胶的Ly6B2总染色定量。e表格汇总了用于鉴定不同炎症细胞类型的抗体组合。
4.水凝胶FBR涉及基质细胞和纤维化
图4：水凝胶在物质-组织界面引起纤维化反应，可能涉及基质或星形胶质细胞。a，b基质相关标记，胶原蛋白1a1（Col1a1），纤连蛋白，层粘连蛋白和半乳糖凝集素3（Gal-3）的详细图像，以及它们与DCHMO a和DCHMO组织界面上非神经CD13阳性细胞的关系。注射后1周DCHK b（水凝胶，G）。标志物与CD13阳性细胞的共定位被视为白色染色。c注射水凝胶后1周，对Col1a1和Gal-3总染色的定量。d细节图显示，Gal-3与DCHMO相邻，在1周时与窄带的GFAP阳性星形胶质细胞共定位。Gal-3和GFAP共定位被视为白色染色。e，f细节图显示了DCHMO e和DCHK f界面在急性（48 h，48 h），亚急性（1周，1wk）和慢性（6周，6wk）时间点后Gal-3表达的时间变化注射。
5.组织损伤驱动FBR并导致急性淀粉样蛋白形成
图5：水凝胶FBR的严重程度取决于材料界面的急性神经组织损伤程度，这与轴突损伤，APP蓄积和淀粉样蛋白形成有关。a注射后48 h DCHMO和DCHK的材料-组织界面的详细图像。b量化DCHMO和DCHK周围组织损伤的径向厚度（每组n = 9只小鼠）。c，d注射后DCHMO，DCHK和L-NIO诱发的中风在急性（48 h，48 h），亚急性（1周，1wk）和慢性（6周，6wk）时间点的详细图像，比较 淀粉样前体蛋白（APP）c或淀粉样β（Aβ）d和GFAP和CD13。e图像显示注射后1周时DCHMO，DCHK和DCHMM与宿主组织的界面处的Aβ，Iba-1和CD13。f DCHMO，DCHK和DCHMM后1周的Aβ定量。
6.星形胶质细胞限界从神经组织中分离FBR
图6：星形胶质细胞形成限界边界，将水凝胶和非神经FBR成分从可行的神经组织中分离出来。a，b对于DCHMO，DCHK和L-NIO诱发的中风，星形胶质细胞极限边界形成从1周a到6周b进行。c，d由NG2靶向的报告基因（tdT）c和Olig2 d鉴定出的OPC与GFAP阳性星形胶质细胞混合，不会迁移到CD13阳性区域。e注射后1周和6周，通过DCHMO和DCHK沉积物周围的IgG染色测量的血脑屏障（BBB）破坏和修复程度的比较。f定量标准化为未注射对侧的水凝胶注射的尾状壳蛋白（CP）中IgG水平的百分比增加。
7.FBR决定水凝胶的吸收或持久性，微粒会改变FBR和水凝胶的吸收
图7：具有募集的CD13阳性细胞的水凝胶FBR导致水凝胶吸收。a，b调查和详细图像显示，注射后6周，DCHK沉积物和L-NIO引起的梗塞的大小发生了质的下降，但DCHMO沉积物没有下降。调查和详细图像显示DCHMO沉积物在注射后长达12周仍未吸收。e在第6周定量测定外侧（灰质）或内侧（内囊）边界的GFAP阳性细胞边界厚度。f定量DCHMO和DCHK从2天到42天的水凝胶半径变化。g量化DCHMO和DCHK从2天到42天的总CD13变化。h涉及通过迈克尔加成反应的基于聚乙二醇（PEG）的硫醇和丙烯酸酯官能化低聚物的反相乳液的微凝胶颗粒（MP）合成示意图。MP可以很容易地悬浮在水凝胶中。i，j在第1周和第6周对FBR加载DMP的DCHMO的调查图像显示，将MP掺入DCHMO会导致CD13阳性细胞募集和水凝胶吸收。k量化1周时MP（+）掺入对DCHMO和DCHK的总CD13阳性细胞反应的影响。
8.FBR改变了水凝胶分子向中枢神经实质的传递
图8：水凝胶FBR改变了CNS分子的传递。a在2周时从DCHMO，DCHK，DCHMM和CHIT发布的BDA（10 kDa）生物分布的详细图像。b定量水凝胶附近组织隔室中的BDA。c量化2周时BDA阳性神经元的标准化数量。d量化从水凝胶-组织界面到50％百分位BDA阳性神经元的径向距离。e 2周时定量BDA阳性炎症细胞。对于b–e中的所有图形，每组n =6只小鼠。f详图显示邻近水凝胶沉积物的BDA阳性细胞的表型。g细节图显示DCHMO输送的NGF导致纹状体胆碱能（ChAT阳性）神经元大小增加。h注射1µL NGF（1µg/µl）释放水凝胶后1周，标准化至对侧的胆碱能神经元大小的增加。
9.FBR改变中枢神经系统中风损伤的水凝胶分子传递和伤口愈合
图9：水凝胶FBR改变中枢神经系统中风损伤中NGF的分子传递和伤口愈合。a 概述实验范式的示意图。 b，c注射水凝胶（G）后1周，显示纹状体中风的胆碱能（ChAT阳性）神经元的图像。d定量中风和水凝胶注射的同侧和对侧平均胆碱能神经元大小。e在第1周时对中风和水凝胶注射的同侧和对侧纹状体中胆碱能神经元数量进行定量。f定量中风和水凝胶注射的同侧和对侧神经纤维的平均ChAT强度。g仅比较L-NIO的PC1分数，比较PCA的水凝胶，比较所有ChAT-神经元参数。h，i图像显示水凝胶注射后1周CD13阳性病变核心（LC），星形胶质细胞边界和表皮中风的神经组织保留表型改变。j从卒中病变中心径向测量的CD13阳性细胞强度图。k，l定量测定病变k和FBR中CD13阳性细胞总数。
图10：示意图总结了该研究的主要发现。a注入健康未受伤的中枢神经系统的水凝胶的FBR模仿了对中枢神经系统组织损伤的自然伤口愈合反应，其严重程度光谱取决于可定义的材料特性。这项研究确定了在生物材料-组织界面处呈现给宿主的水凝胶化学决定了FBR，中枢神经系统FBR的表型及其严重程度改变了水凝胶在分子传递和生物材料吸收方面的功能。（i）非离子和阴离子水凝胶表现出：最小的外周源性炎症，最小的纤维化，有限的吸收和增强的分子传递到神经元。阳离子水凝胶可引起重要的非神经组织（NNT）FBR，导致主要的炎症细胞递送以及快速吸收（ii）或吞噬作用减弱以及持续性急性炎症和有限吸收（iii）。b将FBR注入注入亚急性中枢神经系统中风损伤的水凝胶中会影响分子向保留神经元的传递，并改变中枢神经系统伤口的愈合过程。当应用于纹状体卒中时，非离子水凝胶[DCHMO–（i）]表现出改善的向神经元的生物活性分子传递，而不会显着改变卒中病变核心（LC）。阳离子材料[DCHK–（ii）和DCHMM–（iii）]显示出LC内分子递送功效降低和自然伤口愈合过程中断。
参见文献：
doi.org/10.1038/s41467-020-19906-3
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