由“行走”分子形成的超结构可以帮助为再生医学创造神经元

想象一下，如果外科医生可以将健康的神经元移植到患有神经退行性疾病或大脑和脊髓损伤的病人身上。想象一下，如果他们能在实验室中用适合3d打印的合成的、具有高度生物活性的材料，从病人自己的细胞中“生长”这些神经元。

通过发现一种新的可打印的生物材料，它可以模仿脑组织的特性，西北大学的研究人员现在离开发一种能够利用再生医学治疗这些疾病的平台更近了一步。

这一发现的一个关键因素是控制材料内部分子的自组装过程的能力，这使研究人员能够从纳米尺度到可见特征的尺度上修改系统的结构和功能。塞缪尔·i·斯图普(Samuel I. Stupp)的实验室2018年在该杂志上发表了一篇论文科学这表明，材料可以设计成高度动态的分子，这些分子可以长距离迁移，并自组织形成更大的“超结构”纳米纤维束。

现在，由Stupp领导的一个研究小组已经证明了这些上层结构可以促进神经元的生长，这是一个重要的发现，可能对神经退行性疾病如帕金森氏症和阿尔茨海默氏症以及脊髓损伤的细胞移植策略有意义。

“这是我们能够利用2018年报道的分子重组现象，并将其应用于再生医学的第一个例子，”该研究的第一作者、西北大学辛普森Querrey研究所主任斯图普说。“我们还可以利用这种新生物材料的结构来帮助发现治疗方法和理解病理。”

作为超分子自组装的先驱，他还是材料科学与工程、化学、医学和生物医学工程的董事会教授，并在Weinberg艺术与科学学院、McCormick工程学院和Feinberg医学院担任职务。

这篇论文今天(2月22日)发表在该杂志上先进的科学。

行走分子和3d打印

新材料是由两种液体混合,迅速成为刚性的交互在化学称为主客体复合物模仿钥匙蛋白质之间的相互作用,也由于这些交互的浓度在微米尺寸地区通过一个长规模迁移的“分子行走。”

这些灵活的分子可以跨越比它们自身大数千倍的距离，以便结合成大型的上层建筑。在微观尺度上，这种迁移导致了结构上的转变，从一大块生拉面变成了绳索状的拉面。

特里斯坦·克莱蒙斯(Tristan Clemons)是斯图普实验室的研究助理，也是该研究小组的前研究生亚历山德拉·埃德尔布罗克(Alexandra Edelbrock)的论文第一作者之一。他说:“典型的医用生物材料，比如聚合物水凝胶，不具备让分子在这些组件中自我组装和移动的能力。”“这种现象是我们在这里开发的系统所特有的。”

此外，随着动态分子移动形成上层结构，大孔打开，细胞可以穿透并与生物活性信号相互作用，这些信号可以整合到生物材料中。

有趣的是，3d打印的机械力破坏了上层结构中的主客体相互作用，导致材料流动，但它可以迅速凝固成任何宏观形状，因为相互作用可以通过自组装自发恢复。这也使得3d打印具有不同层次的结构，这些结构包含不同类型的神经细胞，以便研究它们的相互作用。

信号的神经元增长

这种材料的超结构和生物活性特性对组织再生具有重要意义。神经元受到中枢神经系统中一种名为脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)的蛋白质的刺激，这种蛋白质通过促进突触连接和使神经元更具可塑性来帮助神经元存活。BDNF对于神经退行性疾病和脊髓损伤患者可能是一种有价值的治疗方法，但这些蛋白质在体内降解很快，而且生产成本昂贵。

新材料中的一个分子集成了这种蛋白质的模拟物，激活了它的受体Trkb。研究小组发现，当模拟信号出现时，神经元活跃地穿过大孔并填充新生物材料。这也可以创造一个环境，使分化自患者来源干细胞的神经元在移植前成熟。

现在研究小组已经将概念证明应用到神经元上，斯图普相信他可以进入其他领域再生医学通过在材料上应用不同的化学顺序。生物材料中简单的化学变化将使它们能够为广泛的组织提供信号。

斯图普说:“软骨和心脏组织在受伤或心脏病发作后很难再生，该平台可以用于从患者来源的细胞中体外制备这些组织。”这些组织可以被移植来帮助恢复失去的功能。除了这些干预措施外，这些材料还可以用于制造类器官，以发现治疗方法，甚至可以直接植入组织中进行再生，因为它们是可生物降解的。”

论文题目为“超分子聚合物中交换动力学和主客体相互作用形成的超结构生物材料”。

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