碱性成纤维细胞生长因子-壳聚糖凝胶修复缺血性脑卒中

doi:10.4103/1673-5374.375344

中国神经再生研究(英文版) ›› 2024, Vol. 19 ›› Issue (2): 409-415.doi: 10.4103/1673-5374.375344

• 原著:脑损伤修复保护与再生 • 上一篇下一篇

碱性成纤维细胞生长因子-壳聚糖凝胶修复缺血性脑卒中

出版日期:2024-02-15 发布日期:2023-08-30

Activation of endogenous neurogenesis and angiogenesis by basic fibroblast growth factor-chitosan gel in an adult rat model of ischemic stroke

Hongmei Duan1, #, Shulun Li1, #, Peng Hao1, Fei Hao2, Wen Zhao1, Yudan Gao1, Hui Qiao3, Yiming Gu4, Yang Lv3, Xinjie Bao5, Kin Chiu6, Kwok-Fai So7, 8, 9, 10, 11, *, Zhaoyang Yang1, *, Xiaoguang Li1, 12, *

1Department of Neurobiology, School of Basic Medical Sciences, Capital Medical University, Beijing, China; 2Beijing Key Laboratory for Biomaterials and Neural Regeneration, School of Engineering Medicine, Beihang University, Beijing, China; 3Department of Epidemiology and Statistics, School of Public Health and Management, Ningxia Medical University, Yinchuan, Ningxia Hui Autonomous Region, China; 4Department of Physical Education, Capital University of Economics and Businessm, Beijing, China; 5Department of Neurosurgery, Peking Union Medical College Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing, China; 6Department of Psychology, State Key Lab of Brain and Cognitive Sciences, The University of Hong Kong, Hong Kong Special Administration Region, China; 7Guangdong-Hongkong-Macau Institute of CNS Regeneration, Ministry of Education CNS Regeneration Collaborative Joint Laboratory, Jinan University, Guangzhou, Guangdong Province, China; 8Bioland Laboratory (Guangzhou Regenerative Medicine and Health Guangdong Laboratory), Guangzhou, Guangdong Province, China; 9Department of Ophthalmology and State Key Laboratory of Brain and Cognitive Sciences, The University of Hong Kong, Hong Kong Special Administration Region, China; 10Center for Brain Science and Brain-Inspired Intelligence, Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area, Guangzhou, Guangdong Province, China; 11Co-innovation Center of Neuroregeneration, Nantong University, Nantong, Jiangsu Province, China; 12Department of Biomedical Engineering, School of Biological Science and Medical Engineering, Beihang University, Beijing, China

Online:2024-02-15 Published:2023-08-30
Contact: Kwok-Fai So, PhD, hrmaskf@hku.hk; Zhaoyang Yang, PhD, wack_lily@163.com; Xiaoguang Li, PhD, lxgchina@sina.com.
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China, Nos. 81941011 (to XL), 31771053 (to HD), 31730030 (to XL), 31971279 (to ZY), 31900749 (to PH), 31650001(to XL), 31320103903 (to XL), 31670988 (to ZY); and the Natural Science Foundation of Beijing, Nos. 7222004 (to HD); and a grant from Ministry of Science and Technology of China, Nos. 2017YFC1104002 (to ZY), 2017YFC1104001 (to XL); a grant from Beihang University, No. JKF-YG-22-B001 (to FH).

摘要/Abstract

摘要：

已有研究尝试应用生物材料促进移植细胞增殖和分化、迁移、存活和血管的形成。然而，生物活性材料是否能通过激活内源性神经生成和血管生成来修复缺血性脑卒中目前尚不清楚。实验在建立大鼠缺血性脑卒中模型后7d，将装载碱性成纤维细胞生长因子的壳聚糖凝胶移植到脑组织空洞内。凝胶缓慢释放碱性成纤维细胞生长因子，改善局部微环境，激活内源性神经干/祖细胞，募集这些细胞向半暗区和空洞迁移，随后分化为神经元，同时促进半暗区和空洞的血管生成，最终改善大鼠的运动功能。该研究揭示了生物活性材料修复缺血性脑卒中的机制，从而为临床应用生物活性材料治疗缺血性脑卒中提供一种新策略。

https://orcid.org/0000-0003-4039-4246 (Kwok-Fai So); https://orcid.org/0000-0001-8313-6998 (Zhaoyang Yang); https://orcid.org/0000-0003-4480-3676 (Xiaoguang Li)

Abstract: Attempts have been made to use cell transplantation and biomaterials to promote cell proliferation, differentiation, migration, and survival, as well as angiogenesis, in the context of brain injury. However, whether bioactive materials can repair the damage caused by ischemic stroke by activating endogenous neurogenesis and angiogenesis is still unknown. In this study, we applied chitosan gel loaded with basic fibroblast growth factor to the stroke cavity 7 days after ischemic stroke in rats. The gel slowly released basic fibroblast growth factor, which improved the local microenvironment, activated endogenous neural stem/progenitor cells, and recruited these cells to migrate toward the penumbra and stroke cavity and subsequently differentiate into neurons, while enhancing angiogenesis in the penumbra and stroke cavity and ultimately leading to partial functional recovery. This study revealed the mechanism by which bioactive materials repair ischemic strokes, thus providing a new strategy for the clinical application of bioactive materials in the treatment of ischemic stroke.

Key words: adult endogenous neurogenesis, angiogenesis, basic fibroblast growth factor-chitosan gel, chitosan, functional recovery, ischemic stroke, neural stem cell, newborn neuron

. 碱性成纤维细胞生长因子-壳聚糖凝胶修复缺血性脑卒中[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2024, 19(2): 409-415.

Hongmei Duan, Shulun Li, Peng Hao, Fei Hao, Wen Zhao, Yudan Gao, Hui Qiao, Yiming Gu, Yang Lv, Xinjie Bao, Kin Chiu, Kwok-Fai So, Zhaoyang Yang, Xiaoguang Li. Activation of endogenous neurogenesis and angiogenesis by basic fibroblast growth factor-chitosan gel in an adult rat model of ischemic stroke[J]. Neural Regeneration Research, 2024, 19(2): 409-415.

参考文献

引言

出版重点

《中国神经再生研究（英文版）》杂志为SCI、PubMed数据库收录的国际唯一一本专注神经再生领域研究的经同行评议的开放获取期刊，出版来自全球神经再生领域专业学者的前沿性基础研究及临床研究及转化医学、循证医学优秀的最新成果。

期刊出版来自于脑损伤与神经再生、脊髓损伤与神经再生、周围神经损伤与神经再生和神经退行性病与神经再生、神经影像与神经再生的相关研究。期刊关注神经损伤与再生过程中的轴突再生、突触生长、神经可塑性、神经修复和替代、神经移植等最新研究成果。尤其关注应用细胞治疗、基因治疗、生物因子治疗、药物治疗、手术治疗、康复治疗、物理疗法、组织工程、生物工程、生物材料、神经假体等干预性方法产生神经再生效果的相关研究。文章应清晰描述抑制神经元损伤、减轻神经元损伤的一系列变化，保护损伤神经元的过程、方法、程度与评价，突出从细胞分子水平以及分子生物学水平解释神经元损伤后以及预后再生的机制。

NRR杂志被国际重要数据库收录

科学引文索引（Science Citation Index Expanded，SCI）

美国国立医学图书馆（PubMed）

美国国立医学图书馆开放获取全文数据库（PubMed Central, PMC）

美国生物学文摘数据库（BIOSIS previews, BP）

美国《化学文摘》（Chemical Abstracts, CA）

Scopus荷兰《医学文摘库/医学文摘》（Excerpta Medica, EM）

波兰《哥伯尼索引》（Index of Copurnicus, IC）

OvidSP平台数据库

中国科学引文数据库（CSCD）

中国科技期刊数据库-统计源期刊（CSTPCD）

编委会

主编Editor-in-Chief

苏国辉院士（Kwok-fai So, Chair Professor and Head, Jessie Ho Professor in Neuroscience, Department of Anatomy, The University of Hong Kong）。

徐晓明教授（Xiao-ming Xu, Professor and Mari Hulman George Chair of Neurological Surgery, Scientific Director of Spinal Cord and Brain Injury Research Group, Indiana University School of Medicine）

联系方式：Email: szb@nrren.org 电话：+86 138 0499 8773

编委会成员

期刊编委队伍由国际神经再生领域著名学者、中国科学院院士、香港大学苏国辉教授和美国印第安纳大学徐晓明教授领导的由100多位国际神经再生优秀专家组成。共同致力于创办一本发表神经再生领域专业学术研究经同行严格评审的优秀学术期刊。

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材料方法

讨论

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文题：不超过 90个字母，20个单词。

摘要：非结构式， 250单词。

引言：

主体内容：

总结：

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（4）文章写作结构：

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主体内容：

参考文献：不超过 5条，采用Journal of Neuroscience格式。

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（2）需提前向编委会提交写作大纲，通过选题后，文章需在2个月内完成。

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（4）文章写作结构：

文题：不超过 90个字母，20个单词。

主体内容：

利益冲突：

参考文献：不超过 5条，采用Journal of Neuroscience格式。

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文题：不超过 90个字母，20个单词。

主体内容：

利益冲突：

参考文献：不超过 5条，采用Journal of Neuroscience格式。

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延伸阅读

NRR：首都医科大学李晓光团队为生物活性材料治疗缺血性脑卒中提供了新可能

脑卒中是仅次于缺血性心脏病的第二大致死性疾病[1]。缺血性脑卒中占到脑卒中总数的80%，缺血性卒中后发生一系列复杂病理过程，导致相关脑区的功能障碍[2]，给患者带来身体和心理上的极大伤害，严重影响患者的生存质量，还会对家庭乃至整个社会造成巨大的经济负担。然而，临床上仍缺乏有效的治疗手段。科学家们尝试应用细胞移植和生物材料促进移植细胞增殖和分化，迁移，存活和血管的形成[3,4]。然而，通过促进内源性神经发生和血管形成修复脑卒中的的研究仍未报道。

近期，首都医科大学李晓光-杨朝阳团队联合暨南大学苏国辉院士在《中国神经再生研究（英文版）》2024年第2期的研究中，将自主研发将bFGF-壳聚糖凝胶移植至卒中腔内，通过对免疫荧光和行为学评价技术证明，bFGF-壳聚糖凝胶可诱导内源性神经干细胞增殖，迁移至半影区和卒中腔并分化为成熟神经元，同时促进半影区和卒中腔内血管生成，最终改善大鼠的运动功能。该研究首次揭示了：生物活性材料可以促进内源性神经干细胞分为神经元修复缺血性脑卒中。这为临床应用生物活性材料治疗缺血性脑卒中提供一种新策略，进一步推动生物材料向临床应用的转化。

该研究得出的结果如下：

1.bFGF-壳聚糖凝胶的释放动力学

为了判断bFGF-壳聚糖凝胶在体外的释放周期，研究者将bFGF-壳聚糖凝胶与神经干细胞共培养长达9周，收集不同时间点的上清液进行ELISA，发现bFGF-壳聚糖凝胶在体外可以缓慢稳定释放长达至少9周（图1）。

图1. bFGF-壳聚糖凝胶的释放周期

2.脑卒中后移植的bFGF-壳聚糖凝胶激活神经干/祖细胞

研究团队采用成年大鼠光栓模型进行生物学研究。为了判断bFGF-壳聚糖凝胶对神经干细胞/祖细胞的影响，研究者利用免疫荧光技术描述细胞增殖和迁移，研究发现室下区的神经干细胞/祖细胞向卒中腔迁移，同时卒中腔内有大量增殖的神经干细胞。脑卒中腔内存在大量Brdu/Nestin双阳性的增殖的神经干细胞（图2B）。此外在室下去发现大量Brdu/DCX双阳性的向卒中腔迁移的成神经细胞（图2CD）。

图2. 神经干/祖细胞的激活

3.bFGF-壳聚糖凝胶促进脑卒中腔内及周围新生神经元的生成和长期存活

缺血性脑卒中后，bFGF-壳聚糖凝胶诱导DCX/BrdU双阳性细胞强烈活化。然而，这些被激活的细胞是否能分化成神经元仍然是一个很大的挑战。为了证明新生神经元的产生，研究者应用Tuj1/BrdU和NeuN/BrdU免疫荧光双标染色标记新生的未成熟和成熟神经元，发现卒中腔内有大量Tuj1/BrdU双阳性的新生的未成熟神经元（图3A）和NeuN/BrdU双阳性的新生的成熟神经元（图3C）。

图3. bFGF-壳聚糖凝胶促进新生神经元的产生

4.bFGF-壳聚糖凝胶促进脑卒中腔内及周围血管生成

血管新生是缺血性脑卒中后神经再生的关键因素。为了检测bFGF-壳聚糖凝胶修复后，脑卒中腔内及周围是否有新生血管的形成及，研究者采用Glut-1/BrdU和Glut-1/BrdU/Pdgfr-β的免疫荧光多标染色判断新生血管的形成，发现bFGF-壳聚糖凝胶不仅在短期内促进新生血管内皮细胞的再生（图4），而且在长期内促进卒中腔内新生血管内皮细胞的成熟和功能化（图4）。

图4. bFGF-壳聚糖凝胶促进血管的形成

5.bFGF-壳聚糖凝胶促进脑卒中后功能恢复

为了评价新生神经元和新生血管的再生能否促进脑卒中后实验动物的运动功能的恢复，研究者采用肢体不对称实验和网格实验判断大鼠的感觉和运动功能的恢复情况，发现bFGF-壳聚糖凝胶修复组大鼠的感觉和运动功能和对照组相比显著改善，提示bFGF-壳聚糖凝胶通过促进神经发生和血管形成达到功能恢复的目的。

图5. bFGF-壳聚糖凝胶促进功能恢复

该研究得出的结论：该研究采用成年大鼠光栓脑卒中模型，将自制的生物活性材料移植卒中腔内，通过免疫组化和行为学评价技术，揭示了bFGF-壳聚糖凝胶可以促进脑卒中后新生血管的产生，并首次揭示bFGF-壳聚糖凝胶可以促进新生神经元再生，新生神经元和血管共同促进卒中大鼠的感觉和运动功能的恢复，提示生物活性材料也许为临床治疗缺血性脑卒中带来了新的希望。然而该研究的不足之处在于：缺乏对新生神经元的类型及新生神经元是否整合至宿主神经环路中的相应评价。研究者后续可以通过病毒示踪系统全面评价神经环路的重建情况；通过对脑卒中腔内的再生组织进行单细胞转录本测序分析判断新生神经元的种类，这两部分结果的完善对生物活性材料的临床转化提供更有力实验依据。

主要作者介绍

首都医科大学李晓光教授、杨朝阳教授及暨南大学苏国辉院士为本文共同通讯作者，课题组段红梅博士为论文第一作者。该项研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科委项目、北京市自然科学基金等项目的资助。

通讯作者简介

李晓光，首都医科大学基础医学院教授、博士生导师。主要从事应用组织工程修复中枢神经损伤机理和临床转化研究。主持和完成科技部863、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等。在国际著名期刊《PNAS》、《STTT》、《Biomaterials》等发表论文30余篇，获国家发明专利多项，获“2012年全国百篇优秀博士学位论文指导老师”及“2018年高等学校科学研究优秀成果-自然科学一等奖”。

杨朝阳，首都医科大学基础医学院教授、博士生导师。主要从事应用组织工程学方法修复中枢神经系统损伤研究。主持完成科技部重点研发计划、国家自然科学基金面上项目等多项国家级科研项目。在《PNAS》、《STTT》、《Biomaterials》等期刊上发表论文30余篇。获“2018年高等学校科学研究优秀成果-自然科学一等奖”、“2012年全国百篇优秀博士学位论文”、“2018年中华医学会-医学科学技术三等奖”。

苏国辉, 中国科学院院士, 中国医学科学院学部委员, 美国发明家学会院士, 美国医学及生物工程学会院士, DABI (Dana Alliance for Brain Initiatives)会员, 香港大学荣休教授. 现任暨南大学粤港澳中枢神经再生研究院院长, 香港大学医学院、社会科学学院讲座教授, 脑与认知科学国家重点实验室(香港大学)名誉主任, 中国脊髓损伤研究协作组董事会联席主席, Neural Regeneration Research杂志总编辑. 1977年于美国麻省理工大学获博士学位, 致力研究视神经系统轴突再生. 1985年首先证实了使用外周神经的移植方法, 可以使成年哺乳动物的视网膜节细胞长距离再生. 研究方向是使用多渠道的方法, 来促进视神经及脊髓轴突再生, 致力研究探索神经保护和再生的因素, 包括纳米医学、营养因子、运动、中草药提取物、其他一些小分子、免疫反应、康复训练等. 1995年获得国家自然科学奖, 共发表500多篇SCI论文, 拥有专利46项.

原文链接：https://doi.org/10.4103/1673-5374.375344

参考文献

[1] Lo EH, Dalkara T, Moskowitz MA. Mechanisms, challenges and opportunities in stroke. Nature reviews. Neuroscience. 2003;4(5):399-415.

[2] Kitamura Y, Takata K, Inden M, et al. Intracerebroventricular injection of microglia protects against focal brain ischemia. J Pharmacol Sci. 2004;94(2):203-206.

[3] Lanfranconi S, Locatelli F, Corti S, et al. Growth factors in ischemic stroke. J Cell Mol Med. 2011;15(8):1645-1687.

[4] Oliveira SL, Pillat MM, Cheffer A, et al. Functions of neurotrophins and growth factors in neurogenesis and brain repair. Cytometry A. 2013;83(1):76-89.

碱性成纤维细胞生长因子-壳聚糖凝胶修复缺血性脑卒中

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