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南華大學魏華/喻翠云教授團隊 CEJ:一種雙交聯肽基水凝膠以反饋調節方式促進軟骨再生的研究
2023-08-10  來源:高分子科技

  受損的軟骨微環境通常會導致植入的干細胞存活率低分化異常,從而形成機械性能較弱的纖維軟骨。合適且安全的仿生材料可為軟骨修復提供機械性能同時,促進軟骨再生效果。然而,基于治療肽的仿生水凝膠的機械強度調控仍相對缺乏探索,而以負反饋方式進一步應用肽仿生水凝膠進行缺損軟骨修復至今也鮮有報道。近期,南華大學藥學院魏華/喻翠云教授團隊報道了一種雙交聯肽基水凝膠以反饋調節方式促進軟骨再生的研究。多種分子作用力(包括主客體相互作用和大量氫鍵)的整合賦予了水凝膠優異的自愈性和機械強度,使其具有高度協同的潤滑性能和抗壓性能。更重要的是,獨特的整合肽VPM-pmTGF-β1可以實現pmTGF-β1的按需釋放,這種釋放是由MMP-3響應性裂解VPM序列觸發的。將VPM-pmTGF-β1負載水凝膠系統植入SD大鼠模型的軟骨缺損部位后,MMP-3觸發的pmTGF-β1按需釋放以負反饋方式抑制了IκBα/NF-κB信號通路誘導的軟骨炎癥反應,同時促進了BMSCs的定向軟骨分化,實現了高效的軟骨再生。


  軟骨損傷后,M1巨噬細胞會釋放大量炎癥因子,如TGF-αIL-1βIL-6,從而破壞軟骨細胞的代謝平衡,引發炎癥反應。這些炎癥因子與軟骨細胞膜上的特定受體結合,激活IκBα/NF-κB信號通路,導致軟骨細胞釋放大量誘導型一氧化氮合酶(iNOS)、環氧化酶-2COX-2)和基質金屬蛋白酶(MMPs)。在釋放的MMPs中,MMP-3在早期損傷軟骨中高表達,通過直接分解軟骨細胞外基質(ECM)成分和激活其他幾種促MMPs,在軟骨降解中發揮關鍵作用。因此,抑制早期巨噬細胞釋放炎癥因子可能是防止受損軟骨基質降解、減輕患者疼痛的有效策略。盡管干細胞療法通過軟骨分化和旁分泌機制顯示出軟骨再生的巨大潛力,但軟骨損傷微環境中普遍存在的炎癥和氧化應激導致植入的干細胞存活率低或異常分化為機械性能極弱的纖維軟骨。因此,對受損的關節微環境進行多維調節以促進細胞存活和增殖以及定向軟骨分化以促進軟骨再生至關重要。


  本研究在室溫下將β-CD-g-NHSAd-γ-PGA-ADH簡單混合,就能通過β-CDAd之間的超分子主客作用形成物理交聯的水凝膠網絡。Ad-γ-PGA-ADH 的氨基與β-CD-g-NHSNHS基團之間進一步形成酰胺交聯,從而形成化學交聯水凝膠網絡。需要注意的是,水凝膠分子鏈之間形成的大量氫鍵進一步賦予了水凝膠可逆的動態網絡以及主/客體相互作用。所開發的水凝膠系統具有優異的機械性能,即動態物理交聯網絡可在壓力下有效去交聯以耗散能量,并在壓力消失后通過恢復可逆交聯鍵迅速恢復;同時,化學交聯網絡可確保水凝膠結構的完整性,為包裹的細胞和負載的治療劑提供強有力的支撐和內部網絡空間。將 VPM-pmTGF-β1改性水凝膠系統植入SD大鼠模型的軟骨缺損部位后,MMP-3 觸發的pmTGF-β1按需釋放以負反饋方式抑制了 IκBα/NF-κB 信號通路誘導的軟骨炎癥,同時促進了 BMSCs 的定向軟骨分化,實現了高效的軟骨再生。本文提出的新策略有助于更全面、更深入地了解多肽水凝膠用于軟骨缺損修復的生物學特性,并為臨床轉化提供了一種簡單而有力的手段。 


1.功能性多肽水凝膠促進軟骨再生的示意圖。


 圖2.多肽水凝膠的理化性質表征。


 3. 功能性多肽水凝膠促進軟骨再生。


  該工作以“A negative feedback bionic hydrogel reverses damaged cartilage microenvironment and induces BMSCs targeted differentiation for cartilage regeneration”為題發表于Chemical Engineering Journal(中科院1區)。文章的通訊作者為南華大學藥學院魏華教授喻翠云教授,南華大學衡陽醫學院師資博士后鄭治論文第一作者。上述工作得到了湖南省科技創新領軍人才項目,國家自然科學基金湖南省芙蓉學者,湖南省領軍人才,湖南省自然科學青年基金等項目的支助。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145228

  下載:A negative feedback bionic hydrogel reverses damaged cartilage microenvironment and induces BMSCs targeted differentiation for cartilage regeneration

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