《Nature Communications》2025年发表的原创研究：一种整合神经发生程序化干细胞的可注射治疗系统，同时促进肌肉再生以治疗压力性尿失禁

主要作者与机构

该研究由上海交通大学医学院附属第六人民医院泌尿外科的方文卓、杨然星、刘萌、杨明、金扬望、傅强及王莹，以及上海交通大学自动化与智能感知学院的高国等研究人员共同完成。方文卓、杜璇和杨然星为共同第一作者，通讯作者为高国（guogao@sjtu.edu.cn）、傅强（jamesqfu@126.com）和王莹（sdzbbswangying@alumni.sjtu.edu.cn）。论文发表于《Nature Communications》2025年第16卷，文章编号8404，DOI为10.1038/s41467-025-63421-2。

研究背景与目的

压力性尿失禁（stress urinary incontinence, SUI）是泌尿外科常见疾病，以腹压增加时的不自主漏尿为特征，全球患病率约为10%至50%，主要影响40岁以上女性。其病理机制涉及尿道括约肌肌肉萎缩、神经支配退化以及血管缺失等多重因素。现有临床治疗手段包括盆底肌训练、电刺激、尿道中段悬吊术和尿道填充剂注射等。然而，悬吊术存在网片侵蚀、感染等并发症风险，填充剂注射则往往需要反复进行且长期效果有限。更为关键的是，这些方法主要着眼于恢复尿道支持结构，未能针对括约肌神经肌肉成分的进行性萎缩这一核心病理环节进行干预。

为此，本研究旨在开发一种“再生+力学支持”的可注射治疗策略，通过将热响应性水凝胶与经金属有机框架（metal-organic framework, MOF）纳米颗粒程序化的脂肪来源干细胞（adipose-derived stem cells, ADSCs）相结合，在提供局部结构支撑的同时，协同促进肌生成、血管生成和神经生成，从而实现尿道括约肌的功能重建与复发预防。

研究流程与方法

材料的制备与表征
研究首先通过可逆加成-断裂链转移聚合将N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸叔丁酯共聚，再经三氟乙酸脱保护，得到羧基修饰的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM-C）水凝胶。流变学分析证实该水凝胶具有温度响应性溶胶-凝胶转变行为，储能模量在升温时超过损耗模量。随后，通过EDC/NHS交联将亮氨酸（leucine, Leu）和脂肪来源干细胞膜片来源的脱细胞外基质（decellularized extracellular matrix, dECM）粉末共价接枝到PNIPAM-C上，形成PCDL水凝胶。表征结果显示，该水凝胶仍保持热响应性，且杨氏模量和抗压强度均显著提升。扫描电镜观察发现PCDL水凝胶呈互连多孔结构，但孔径减小、孔壁增厚，表明交联密度增加。体外降解实验显示PCDL降解速率高于PNIPAM-C，这可能与其富含羟基、羧基等可降解基团有关。

MOF纳米颗粒的合成与表征
研究合成了三种MOF纳米颗粒：ZIF-8、ZIF-8/PEG200和ZIF-8/PEG200@Mg。ZIF-8由锌离子与2-甲基咪唑配位形成，但动态光散射显示其在水溶液中严重聚集，平均粒径达微米级。经聚乙二醇200（PEG200）表面修饰后，粒径降至约242.70 nm，zeta电位绝对值升至27.10 mV，胶体稳定性显著改善。进一步将ZIF-8/PEG200与氯化镁溶液孵育，制得负载镁离子的ZIF-8/PEG200@Mg纳米颗粒。X射线衍射、X射线光电子能谱、透射电镜元素分布等分析均证实了镁的成功掺入。氮气吸附-脱附等温线测定显示，ZIF-8、ZIF-8/PEG200和ZIF-8/PEG200@Mg的比表面积分别约为1112、778和549 m²/g，表明PEG修饰和镁负载逐步降低了比表面积。

MOF纳米颗粒对ADSCs的神经发生程序化
为确定最佳MOF浓度，CCK8实验显示即使40 μg/mL的ZIF-8/PEG200和ZIF-8/PEG200@Mg也不影响ADSCs活力。生物透射电镜证实MOF纳米颗粒可被ADSCs内化。处理后3天进行RNA测序，主成分分析和差异表达基因热图显示各组转录组存在明显差异。基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析表明，ZIF-8/PEG200@Mg处理组显著上调了与神经再生、神经发生和肌动蛋白细胞骨架组织相关的通路，如矿物质吸收、肌动蛋白骨架调控和轴突导向等。定量PCR和蛋白免疫印迹进一步验证了ECM相关基因（ITGA2、CLASP2）、神经系统相关基因（ATXN7、KIRREL3、NPTXR、FEZ1、NTN1、PLXNB1）和肌动蛋白骨架相关基因（WASF2、ACTA2）的表达上调。特别值得注意的是，与神经肌肉接头（neuromuscular junction, NMJ）形成密切相关的SHANK3蛋白表达显著上调。

体外验证程序化ADSCs的促血管生成能力
将不同处理的ADSCs与人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells, HUVECs）共培养。管形成实验显示，ZIF-8/PEG200@Mg程序化的ADSCs（ADSCs[Mg]）组具有最强的血管网络形成能力。划痕实验同样证明ADSCs(Mg)对HUVECs迁移的促进作用最为显著。定量PCR检测到HUVECs中血管生成相关基因表达上调。

可注射系统的生物相容性评价
将ADSCs分别与PNIPAM-C（PC）、PNIPAM-C+亮氨酸（PC/Leu）和PNIPAM-C+亮氨酸+dECM（PC/Leu/dECM）三种材料共培养。活/死染色显示各组均具有良好的细胞相容性。CCK8增殖实验和划痕迁移实验表明，dECM的加入显著增强了细胞增殖和迁移能力，48小时内几乎实现完全创面闭合。

体内动物实验
采用4周龄雌性Sprague-Dawley大鼠，通过阴道球囊扩张联合双侧卵巢切除建立SUI模型，模拟分娩创伤和绝经后雌激素缺乏两大病因。造模4周后，将生理盐水（SUI组）、PC水凝胶（PC组）、PCDL水凝胶（PCDL组）、PCDL+ADSCs+ZIF-8/PEG200（PCDL/ADSCs(PEG)组）和PCDL+ADSCs+ZIF-8/PEG200@Mg（PCDL/ADSCs(Mg)组）分别注射至膀胱颈尿道括约肌周围。每组10只大鼠用于漏尿点压力（leak point pressure, LPP）测定。注射后第4周和第8周分别进行LPP测量和组织学分析。另外，每组3只大鼠用于注射后7天的RNA测序和分子生物学分析。

主要结果

漏尿点压力恢复
注射后4周，PCDL/ADSCs(Mg)组LPP恢复至接近正常水平，与正常组无显著差异（p>0.05），且显著高于SUI组。PC组因水凝胶的填充效应也略高于SUI组。注射后8周，PCDL/ADSCs(Mg)组LPP仍维持升高，甚至略高于第4周，表明该系统的长期疗效。

肌肉再生与神经生成的组织学证据
苏木精-伊红染色显示，SUI组尿道括约肌严重萎缩，肌纤维疏松紊乱。PCDL组肌肉萎缩明显减轻，肌纤维增大且排列更有序。PCDL/ADSCs(PEG)和PCDL/ADSCs(Mg)组肌纤维红染，细胞核位于周边，肌纤维边界清晰、结构紧密，几乎与正常组无异。Masson染色呈现相似趋势，PCDL/ADSCs(Mg)组肌纤维呈亮红色，直径增大，结缔组织浸润最少。免疫荧光染色显示，PCDL组desmin和α-SMA表达虽显著升高但仍低于含ADSCs组，而PCDL/ADSCs(peg)组和PCDL/ADSCs(Mg)组在肌肉再生方面无显著差异。然而，突触素和tubulin β3染色显示PCDL/ADSCs(Mg)组荧光强度显著高于PCDL/ADSCs(PEG)组，接近正常组，证明ZIF-8/PEG200@Mg程序化的ADSCs具有更强的神经生成和突触生成能力。VEGF染色显示PCDL/ADSCs(Mg)组血管化程度最高。乙酰胆碱酯酶免疫组化染色显示SUI组和PC组几乎无表达，而PCDL/ADSCs(Mg)组表达最强，尤其在突触后膜和基底层呈颗粒状或带状阳性。NMJ三重免疫染色显示PCDL/ADSCs(Mg)组在8周时NMJ占据率最高。

分子机制解析
注射后7天尿道组织的RNA测序显示，PCDL/ADSCs(Mg)组差异表达基因数量最多。GO和KEGG富集分析表明，PCDL组上调基因主要涉及免疫反应、肌肉收缩和伤口愈合；PCDL/ADSCs(PEG)组富集于肌肉细胞收缩和肌纤维发育；PCDL/ADSCs(Mg)组则独特地诱导了神经元投射发育的正调控和NMJ发育通路。特别地，PCDL/ADSCs(Mg)组与PCDL/ADSCs(PEG)组比较发现875个显著上调基因，富集于乙酰胆碱受体信号通路、化学突触传递等神经传递相关过程。定量PCR和蛋白免疫印迹证实，肌肉收缩和再生相关基因（ATP2A1、KLHL41、SMYD1、MYOZ1、MYH1、MEF2C）以及神经生成和NMJ稳定相关基因（MUSK、DOK7、KY、CHRND、ACHE、MAPT）在PCDL/ADSCs(Mg)组均显著上调。DOK7和MUSK的上调尤为重要，因为DOK7突变会导致MUSK磷酸化异常，进而引起NMJ功能障碍和肌肉萎缩。

结论与意义

本研究建立了一种整合MOF诱导的干细胞神经发生程序化与热响应水凝胶递送平台的双功能再生策略。该可注射系统不仅为受损尿道括约肌提供即刻力学支撑，还主动促进肌肉、血管和神经成分的再生。与传统填充剂或吊带植入物仅提供被动结构加固不同，该策略直接针对SUI的多因素退行性病理生理过程，有望克服填充剂需反复注射的局限并避免合成吊带的手术并发症。

在科学价值方面，该研究揭示了镁离子负载的MOF纳米颗粒通过上调DOK7和MUSK等关键分子来稳定NMJ的机制，为神经肌肉再生提供了新的分子靶点。在应用价值方面，PNIPAM-COOH水凝胶和亮氨酸成本低廉、批间重复性高，ADSCs可微创获取且体外扩增能力强，整体合成成本低、制造可行性高，具备临床转化和规模化应用的潜力。

研究亮点

该研究的核心亮点在于：第一，首次将神经发生程序化干细胞与热响应水凝胶结合，实现尿道括约肌的肌肉、血管和神经三重协同再生，突破了传统疗法单纯机械支撑的局限。第二，创新性地利用ZIF-8/PEG200@Mg纳米颗粒对ADSCs进行胞内程序化，避免了纳米颗粒直接混合于水凝胶中可能引起的不稳定释放问题，实现了持续稳定的生物学效应。第三，通过DOK7/MUSK通路的分子证据阐明了NMJ稳定化的机制，为SUI的再生医学治疗提供了新的理论依据。第四，体内实验证明该策略在第8周仍维持功能改善，显示出优于现有填充剂的长期疗效潜力。

其他有价值内容

研究同时指出了该工作的局限性：大鼠模型解剖限制导致无法定量评估植入后尿道周围组织的力学性能；水凝胶的长期体内稳定性和降解行为尚需在大动物模型中进行6至12个月的纵向研究；临床转化还面临FDA组合产品审批、材料无菌性、ADSCs来源标准化和免疫原性评估等挑战。此外，鉴于SUI患者间存在显著异质性，未来治疗策略应根据患者病因和生理特征进行个体化调整。