基于多梯度MgO/MgCO₃/PCL纳米纤维膜的周围神经再生研究

学术背景

周围神经缺损是临床中常见的复杂骨科问题，现有的治疗手段效果有限。神经支架内施万细胞（Schwann cells）的增殖不足和功能障碍是影响神经修复效果的关键因素。镁离子（Mg²⁺）在周围神经再生中具有重要作用，但传统的镁基生物材料存在镁离子释放过快的问题，难以在神经再生的中后期持续发挥作用。此外，镁基神经支架调节周围神经再生的分子机制尚不明确。因此，开发一种能够持续释放镁离子的神经支架材料，并阐明其作用机制，对于提高周围神经修复效果具有重要意义。

论文来源

本论文由Zhi Yao、Ziyu Chen、Xuan He等多位作者共同完成，作者分别来自北京大学深圳医院、香港中文大学等多家机构。论文于2024年11月8日在线发表于期刊《Advanced Fiber Materials》（2025年第7卷，315-337页），题为“Bioactive MgO/MgCO₃/Polycaprolactone Multi-Gradient Fibers Facilitate Peripheral Nerve Regeneration by Regulating Schwann Cell Function and Activating Wingless/Integrase-1 Signaling”。

研究流程与结果

1. 研究设计

本研究利用静电纺丝技术制备了MgO/MgCO₃/聚己内酯（PCL）多梯度纳米纤维膜，旨在通过调节MgO和MgCO₃的比例和浓度，实现镁离子的持续释放。研究分为多个步骤： - 材料制备：将PCL与不同比例的MgO和MgCO₃混合，通过静电纺丝技术制备三层结构的纳米纤维膜。 - 体外实验：通过扫描电镜（SEM）分析纤维结构，测定镁离子释放曲线，并进行细胞培养实验，评估材料对施万细胞增殖和迁移的影响。 - 动物实验：将制备的多梯度纤维与3D打印的PCL神经导管结合，植入大鼠的10毫米坐骨神经缺损模型中，评估神经再生效果。

2. 材料制备与表征

研究通过调节MgO和MgCO₃的比例，成功制备了三种不同浓度的多梯度纳米纤维膜（10%、20%和30% MgO/MgCO₃/PCL）。实验结果表明，10% MgO/MgCO₃/PCL组在6周内表现出最稳定且有效的镁离子释放。SEM分析显示，纤维直径在126.8 nm至253.6 nm之间，且纤维表面分布有MgO/MgCO₃纳米颗粒。接触角测试表明，材料的表面润湿性在不同组间无显著差异，表明镁离子的释放是促进神经再生的主要机制。

3. 体外实验

体外实验中，研究首先通过背根神经节（DRG）培养评估了镁离子对神经突起生长的促进作用。结果表明，10 mM和20 mM的镁离子显著促进了DRG神经突起的延伸。此外，通过原代施万细胞培养，研究发现镁离子能够促进施万细胞的增殖和表型转换，使其向修复型施万细胞（Reparative Schwann Cells, RSCs）转变。基因表达分析显示，镁离子上调了多种轴突导向分子（如Netrins、Ephrins）和神经营养因子（如NGF、BDNF）的表达。

4. 动物实验

在大鼠坐骨神经缺损模型中，研究将多梯度纤维与PCL神经导管结合，植入缺损部位。术后6周和12周的评估显示，10% MgO/MgCO₃/PCL组的神经再生效果最佳，表现为轴突再生、髓鞘再生和肌肉再神经化的显著改善。组织学染色和透射电镜（TEM）分析进一步证实，10% MgO/MgCO₃/PCL组在髓鞘厚度和轴突数量上均优于其他组。

5. 分子机制研究

通过转录组测序和Western blot分析，研究发现镁离子通过激活Wnt信号通路调节施万细胞的功能。具体而言，镁离子上调了Wnt5a、β-catenin和CREB的表达，促进了施万细胞的增殖和迁移。此外，镁离子通过抑制钙离子（Ca²⁺）内流，减弱了Wnt/Ca²⁺通路的活性，进一步增强了Wnt/β-catenin信号通路的作用。

结论与意义

本研究成功开发了一种基于MgO/MgCO₃/PCL多梯度纳米纤维膜的神经支架材料，能够实现镁离子的可控释放，并在大鼠坐骨神经缺损模型中显著促进了神经再生。研究揭示了镁离子通过激活Wnt信号通路调节施万细胞功能的分子机制，为镁基神经支架的临床应用提供了重要的理论基础。该材料具有制备成本低、效率高、适应性广等优势，展示了镁基生物材料在神经系统疾病治疗中的巨大潜力。

研究亮点

1. 创新的材料设计：通过调节MgO和MgCO₃的比例，实现了镁离子的可控释放，解决了传统镁基材料释放过快的问题。
2. 全面的机制研究：首次阐明了镁离子通过Wnt信号通路调节施万细胞功能的分子机制。
3. 显著的神经再生效果：在动物模型中，10% MgO/MgCO₃/PCL组表现出最佳的神经再生效果，为临床应用提供了有力支持。

其他有价值的信息

本研究的局限性在于未能检测神经再生局部微环境中的实际镁离子浓度，未来研究可进一步优化材料设计，并结合药物、细胞等活性成分，进一步提升镁基神经支架的治疗效果。