丝蛋白动态自组装引导干细胞修复椎间盘

在自然生物系统中，干细胞的发育受复杂且精细调控的微环境（细胞外基质，ECM）影响。ECM通过其独特结构和成分，为干细胞提供机械支持及生化、机械信号，调控其自我更新和分化。水凝胶因高含水量和结构可调性，成为模拟ECM微环境的理想材料。动态超分子水凝胶因可逆交联，在模拟ECM方面更具灵活性，但传统均相网络缺乏自然ECM的空间异质性。

本研究基于前期设计的超分子肽BPAA-GFF（可促进软骨细胞增殖并维持透明软骨表型），通过将丝胶与BPAA-GFF共组装，构建了具有自然ECM分区特征的动态自适应基质。丝胶是水溶性水解蚕丝蛋白，富含极性氨基酸，能通过氢键和π-π相互作用与功能性小分子共组装。实验表明，丝胶与BPAA-GFF通过π-π堆积和氢键协同形成稳定的超分子网络，其共组装过程因相分离驱动分子重排，形成纳米和微米尺度的异质结构。该共组装水凝胶（BS）具有与天然髓核组织相似的粘弹性，储存模量（G'）可达约2400 Pa，应力松弛速度快，10秒内可松弛约80%的应力，且具有可注射性和自适应性，能填充不规则缺损区域。

通过转录组分析发现，BS基质可依次激活整合素β3介导的细胞-基质相互作用，促进细胞骨架重塑和Yes相关蛋白（YAP）核转位，上调机械敏感基因（如Acta2、Ctgf），从而支持骨髓间充质干细胞（BMSCs）的增殖、存活及3D均匀定植。进一步将软骨形成小分子kartogenin（KGN）整合到BS中（BSK），可提供持续的软骨诱导信号，显著上调软骨基质相关基因（Col II、Agg）和软骨发生转录因子（Tgf-β、Sox9）的表达，促进BMSCs向软骨样细胞分化。

在大鼠和兔椎间盘退变模型中，负载BMSCs的BSK水凝胶显示出显著的治疗效果。X射线和MRI结果表明，BSK组能有效维持椎间盘高度和含水量，Pfirrmann分级较低；组织学染色显示，BSK组髓核结构完整，蛋白聚糖和II型胶原表达丰富，退变相关标志物（MMP-13、TNF-α）表达降低。这些结果表明，BSK通过整合机械和生化信号，有效促进髓核组织再生，为椎间盘修复提供了一种有潜力的策略。