研究背景：
创伤性脑损伤（TBI）的病理进程由原发性损伤和随后数小时至数天内展开的继发性损伤级联反应构成，后者决定患者的长期预后，是治疗干预的主要靶点。继发性损伤以脑组织缺氧和神经炎症为典型特征，二者共同破坏神经元与小胶质细胞间的稳态平衡。强效损伤相关分子模式S100A8是病理性神经元-小胶质细胞串话的关键介质，与TBI不良预后密切相关：缺氧触发受损神经元释放S100A8，后者经TLR4和RAGE信号激活小胶质细胞，放大促炎因子产生并加剧神经元丢失，形成连接缺氧与小胶质细胞过度激活的有害前馈环路。然而目前尚无有效手段干预该通路，理想策略需同时缓解神经炎症与缺氧，并打断S100A8介导的信号轴。
针对上述问题，四川大学华西医院周良学、范红松团队开发了一种多功能仿生水凝胶系统（HPC@Gel），将改性血红蛋白纳米颗粒和姜黄素基碳量子点整合到透明质酸-胶原水凝胶中，同时改善上游缺氧微环境并削弱下游炎症放大，以阻断这一恶性循环。HPC@Gel通过聚多巴胺介导的表面修饰将血红蛋白（HB）与姜黄素碳量子点（CCQDs）偶联，形成兼具释氧与抗炎功能的双功能纳米缀合物（HPC），并将其载入由双功能化透明质酸（醛基-和甲基丙烯酸酯-改性）/胶原构成的仿生水凝胶中。该系统可有效保护神经元免受缺氧性凋亡，并通过下调S100A8表达将小胶质细胞极化调控向促修复的M2表型；在大鼠TBI模型中植入HPC@Gel可显著减轻局部神经炎症，增强内源性神经干细胞的增殖与分化，最终实现神经与认知功能的大幅恢复。该文章于2026年6月22日以《Biomimetic Hydrogel System Targeting S100A8 Centered Neuroimmune Crosstalk and Hypoxia Induced Neuronal Injury》为题发表于《Advanced science》（DOI:10.1002/advs.76220）。
研究示意图：（A）负载HPC的仿生双网络水凝胶系统的合成。（B）体外验证HPC@Gel可有效阻断以S100A8为中心的神经免疫串话、保护神经元并调控神经炎症反应。（C）在TBI动物模型中对仿生凝胶系统的体内评估，显示神经功能改善及局部损伤微环境的恢复。
（1）兼具协同抗氧化与释氧功能的仿生水凝胶支架的制备与表征
该研究合成了CCQDs与HB的复合纳米颗粒HPC及双网络仿生水凝胶基质。CCQDs经180℃水热处理12 h制得，晶格间距0.21 nm对应石墨碳（100）晶面，水分散性较天然姜黄素显著改善。掺入100 µg/mL CCQDs制得的HPC粒径均匀（185.3 ± 25.8 nm，图1c），表面电荷变化证实CCQDs成功整合（图1d），PBS中孵育7天胶体稳定性良好。FTIR表明组装后保留蛋白质特征官能团并存在氢键与π–π堆积（图1e）。紫外光谱显示HPC保留血红蛋白特征吸收，Soret带在412 nm与428 nm间可逆切换，证实氧结合响应能力（图1f）。HPC@Gel由醛基改性与甲基丙烯酰化透明质酸及胶原经动态亚胺键和光交联构建。SEM显示其疏松多孔结构利于细胞接种（图1g），FTIR支持共价亚胺键与氢键网络交联（图1h）。杨氏模量约1 kPa（图1i），应力松弛相似（图1j），处于脑组织生理力学范围。72 h降解率74.8 ± 2.3%，溶胀率14.7 ± 1.2%。CCQDs累积释放率72 h达77.4 ± 2.2%，因非共价作用释放更持久（图1k）。HPC@Gel对ROS和RNS均有显著清除能力（图1l–n），缺氧下最大释氧7.36 mg/L，释氧源于HB组分，CCQDs提供额外抗氧化活性（图1o）。HPC的成功整合赋予该水凝胶改善神经炎症与缺氧的潜力。
图1. HPC@Gel的制备与结构-功能表征。a) HPC制备示意图：（i）CCQDs的TEM图像，（ii）HB-PDA的SEM图像。b) Gel和HPC@Gel的制备示意图。c) HPC的SEM图像，插图为粒径分布。d) HB-PDA、CCQDs和HPC的Zeta电位。e) HB-PDA、CCQDs和HPC的FTIR光谱。f) HPC的紫外-可见光谱，显示特征Soret带（412 nm）和Q带（539和576 nm）；脱氧和再氧合过程中Soret带的可逆移动表明HPC保留了氧结合响应能力。g) HPC、Gel和HPC@Gel的SEM图像。h) HPC、Gel和HPC@Gel的FTIR光谱。Gel组中1629 cm⁻¹处的亚胺键（C═N）证实了Col与HA之间的相互作用。源自甲基丙烯酸酯的C═O肩峰（1718 cm⁻¹）被宽PDA信号掩盖，而胶原的酰胺I（1660 cm⁻¹）和酰胺II（1569 cm⁻¹）谱带与HB的谱带重叠并发生红移（至1654 cm⁻¹）和展宽。i) 复合水凝胶杨氏模量的统计分析。j) 复合水凝胶的应力松弛曲线。k) HPC@Gel抗氧化和释氧功能的示意图。l) DPPH清除效率。m) 紫外-可见光谱和n) 统计结果展示复合水凝胶的H₂O₂清除活性。o) 复合水凝胶的释氧曲线。
（2）仿生凝胶系统缓解神经元缺氧、抑制神经炎症并增强体外神经保护
TBI后脑组织缺氧是触发神经元凋亡与继发性损伤的关键病理因素。研究采用小鼠海马神经元HT22细胞缺氧培养模拟TBI后状态。CCK-8检测证实仿生凝胶细胞相容性良好。氧敏感探针染色显示HB-PDA@Gel与HPC@Gel组荧光强度显著降低，表明细胞内氧合改善主要归因于含血红蛋白组分。免疫荧光显示缺氧组HIF-1α显著升高，HPC@Gel组显著降低（图2a，b）。GreenNuc标记Caspase-3与mCherry标记Annexin V检测显示缺氧诱导广泛凋亡，各组水凝胶不同程度减轻凋亡，HPC@Gel保护作用最强（图2c–e），流式细胞术进一步证实（图2f）。LPS诱导BV2细胞M1极化后，CCQDs@Gel与HPC@Gel处理逆转表型，CD86下调、CD206上调，HPC@Gel效果最强（图2g–j），ELISA证实TNF-α分泌减少、IL-10增加。结果表明该凝胶系统通过促进小胶质细胞M1向M2极化、缓解缺氧应激与凋亡发挥双重神经保护作用。
图2. 仿生复合水凝胶在体外改善缺氧、减少神经元凋亡并缓解神经炎症。a) 与不同水凝胶配方共培养24 h后，缺氧HT22细胞中HIF-1α（红色）、DAPI（蓝色）的代表性免疫荧光图像。b) 对a)图中HIF-1α平均荧光强度（MFI）的定量分析。c,d) 对e)图中Annexin V和Caspase-3 MFI的定量分析。e) 缺氧HT22细胞中Annexin V（红色）与cleaved Caspase-3（绿色）共染的代表性免疫荧光图像。共定位指示活跃的凋亡。f) 采用Annexin V-FITC/PI染色对HT22凋亡进行流式细胞术分析，“Normal”指常氧条件下培养的细胞。BV2小胶质细胞分别进行M1标志物CD86（红色）（g）或M2标志物CD206（绿色）（i）染色，DAPI（蓝色）。对g)和i)图中CD86（h）和CD206（j）MFI的定量分析。
（3）S100A8介导的神经元-小胶质细胞串话及其被仿生凝胶系统的阻断
TBI后神经元与小胶质细胞通过内源性DAMP——S100A8发生病理性信号串话，缺氧下神经元分泌S100A8激活小胶质细胞进而加重神经元损伤（图3a）。研究采用皮质空腔TBI模型大鼠损伤皮层验证该信号。免疫荧光显示TBI组S100A8与神经元及小胶质细胞共定位显著增加，分别升高5.3倍与13.5倍（图3b–d），ELISA证实缺氧下S100A8由HT22神经元分泌驱动。Transwell共培养联合S100A8抑制剂Paquinimod（10 µm）验证，HPC@Gel与PAQ均显著抑制S100A8表达与分泌（图3f，g），CCQDs@Gel抑制效果显著强于HB-PDA@Gel，提示CCQDs为关键活性成分（图3h，i）。功能上HPC@Gel显著减少HT22凋亡（图3j–l），BV2细胞M1标志物CD86、TNF-α降低，M2标志物CD206、IL-10升高（图3m–p）。组分分析显示HB-PDA主要贡献抗凋亡，CCQDs主要调控炎症。该凝胶系统破坏了S100A8介导的病理性神经元-小胶质细胞串话，实现CCQDs与HB-PDA的协同神经保护。
图3. 仿生水凝胶阻断S100A8介导的小胶质细胞-神经元串话，缓解神经炎症和神经元凋亡。a) TBI中S100A8介导的神经免疫串话示意图。b) 采集自皮质空腔TBI模型大鼠（以假手术大鼠为对照）损伤皮层脑切片的免疫荧光图像，显示S100A8（绿色）与Iba-1（红色）和NeuN（红色）的共定位。细胞核用DAPI复染，呈蓝色。c,d) 对b)图脑切片中S100A8⁺/Iba-1⁺细胞和S100A8⁺/NeuN⁺细胞数量的定量分析。e) HPC@Gel阻断HT22和BV2细胞共培养期间串话的示意图。f) 经受缺氧并用不同配方处理的BV2和HT22细胞中S100A8（绿色）的代表性免疫荧光图像。g) ELISA定量f)实验培养基中分泌的S100A8水平。对f)图中BV2细胞（h）和HT22细胞（i）S100A8 MFI的定量分析。j) HT22细胞凋亡的代表性免疫荧光图像，Annexin V（红色）与cleaved Caspase-3（绿色）共染。对j)图中Annexin V（k）和Caspase-3（l）MFI的定量分析，代表HT22和BV2细胞的Transwell共培养模型。m,n) BV2细胞中小胶质细胞极化的代表性免疫荧光图像。CD86（红色）、CD206（绿色），DAPI（蓝色）染核。CD86（o）和CD206（p）MFI的定量分析。
（4）重组S100A8回补部分逆转HPC@Gel的神经保护与免疫调节效应
为进一步确定HPC@Gel的神经保护和抗炎作用是否依赖于对S100A8的抑制，该团队在HT22-BV2共培养体系中外源添加重组S100A8蛋白进行回补实验。结果显示，缺氧条件下BV2和HT22细胞中S100A8表达均显著升高，伴随HT22凋亡增强及BV2细胞向促炎M1表型偏移（图4a–g）。与缺氧组相比，HPC@Gel处理显著降低S100A8平均荧光强度、减少HT22凋亡，并通过CD206荧光强度升高促进BV2细胞向抗炎M2表型极化。当向HPC@Gel处理体系回补外源S100A8（HPC@Gel + S100A8组）后，S100A8表达被部分恢复，HT22凋亡和BV2细胞CD86表达显著增加，同时CD206表达降低，表明外源S100A8部分逆转了HPC@Gel的保护作用。PAQ组呈现类似的回补模式：在PAQ存在下补充重组S100A8（PAQ + S100A8组），S100A8表达、凋亡和M1标志物恢复至接近缺氧组水平，进一步说明PAQ的保护作用高度依赖于对S100A8的抑制。
图4. 缺氧条件下不同处理后BV2和HT22细胞中S100A8蛋白表达（绿色）的代表性免疫荧光图像；细胞核用DAPI（蓝色）复染。a) 代表性免疫荧光图像。b) BV2细胞中S100A8 MFI的定量分析。c) HT22细胞中S100A8 MFI的定量分析。d) 凋亡HT22细胞的代表性免疫荧光图像，Caspase-3（绿色）与Annexin V（红色）共染。e) BV2细胞中M1和M2标志物的代表性免疫荧光图像，CD86（红色）、CD206（绿色）和DAPI（蓝色）染色。f) e)图所示BV2细胞中CD86 MFI的定量分析。g) e)图所示BV2细胞中CD206 MFI的定量分析。
（5）仿生凝胶系统促进TBI后神经再生与功能恢复
基于体外结果，研究建立大鼠TBI模型评估HPC@Gel体内治疗潜力。动物随机分为PBS、Gel、CCQDs@Gel、HB-PDA@Gel与HPC@Gel五组，造模后立即植入损伤部位并于术后第3、7、28天评估（图5a）。术后第7天所有治疗组损伤周边区Nestin阳性细胞较PBS组显著增加，且单独使用Gel亦可促进NSPC增殖，表明凝胶基质本身具有促再生作用。中心区与周边区比较显示神经再生起源于周边区并逐渐向核心区迁移（图5b–d）。Tuj-1检测显示第7天各治疗组神经元分化显著增强，HPC@Gel最强（图5e，g）。第28天Nissl染色显示治疗组存活神经元数量显著高于PBS组（图5f，h）。行为学上，Y迷宫与旷场实验显示各治疗组运动活性与探索行为显著改善，HPC@Gel效果最显著（图5i，j，k–p）。mNSS评分显示各治疗组四周内均低于PBS组，HPC@Gel改善最显著（图5q）。结果表明HPC@Gel疗效源于凝胶基质与生物活性组分的协同作用。
图5. 仿生水凝胶系统促进TBI后神经发生并改善运动与认知功能。a) TBI动物实验及水凝胶应用的示意图。b) TBI后7天，损伤中心区与边缘区神经祖细胞标志物Nestin（红色）的代表性免疫荧光图像。细胞核用DAPI（蓝色）染色。c-d) TBI后7天损伤中心（c）和边缘（d）区Nestin阳性面积的定量分析。TBI后7天损伤区Tuj-1的代表性免疫荧光图像（e），以及TBI后28天Nissl染色的代表性图像（f）。Tuj-1阳性面积（g）和Nissl阳性神经元数量（h）的定量分析。TBI后28天Y迷宫（i）和旷场实验（OFT）（j）中大鼠的代表性运动轨迹。大鼠在Y迷宫中的平均速度（k）。最大旋转次数，用于评估运动协调性（l）。大鼠在Y迷宫中的总运动距离（m）。OFT中中央区域的活动时间（n）。OFT中的站立总次数（o）。OFT期间的总运动距离（p）。TBI后第1、7、14和28天的mNSS评估（q）。数据以平均值 ± SD表示（每组n = 6只动物）。单时间点比较采用单因素方差分析后进行Tukey多重比较检验。随时间变化的mNSS分析（q）采用双因素方差分析后进行适当的多重比较检验。
（6）仿生凝胶系统在体内的神经保护与神经炎症调控作用
研究进一步考察了损伤微环境中神经元缺氧、凋亡及神经炎症的改变以阐明修复机制。TUNEL与NeuN共标染色显示水凝胶治疗组损伤区神经元凋亡较PBS组显著减少（图6a，c）。HB-PDA@Gel与HPC@Gel组HIF-1α阳性神经元数量显著减少，表明含HB水凝胶有效缓解体内缺氧相关神经元应激，第7天效果更显著（图6b，d）。Iba-1染色显示术后第3天PBS组iNOS升高、Arg-1降低，CCQDs@Gel、HB-PDA@Gel与HPC@Gel组iNOS⁺促炎小胶质细胞减少、Arg-1⁺抗炎细胞增加，该表型转变持续至第7天（图6e–h）。结果表明该凝胶系统通过缓解神经元缺氧、抑制凋亡与调控神经炎症优化TBI后微环境，实现强效神经保护。
图6. 仿生水凝胶系统在TBI后3天发挥体内神经保护作用。a) 显示挫伤周边皮层中凋亡细胞（TUNEL，绿色）和神经元（NeuN，红色）的代表性免疫荧光图像。b) 显示缺氧细胞（HIF-1α，绿色）和神经元（NeuN，红色）的代表性免疫荧光图像。c) TUNEL阳性神经元的定量。d) HIF-1α阳性神经元的定量。e) iNOS阳性小胶质细胞和f) Arg-1阳性小胶质细胞的定量。显示g) iNOS（绿色）/Iba-1（红色）和h) Arg-1（绿色）/Iba-1（红色）的代表性免疫荧光图像。
（7）仿生复合凝胶降低S100A8表达并在体内展现高生物相容性，转录组学揭示潜在机制
免疫荧光显示损伤后第3、7天HPC@Gel组神经元与小胶质细胞中S100A8表达较PBS组显著抑制（图7a–d）。转录组测序对损伤后第3天两组脑组织分析共鉴定823个差异表达基因，246个上调、577个下调（图7e）。GO富集提示其与血管功能、免疫调控及神经发育相关（图7f），KEGG富集揭示PI3K-Akt与MAPK信号通路显著参与（图7g）。PI3K-Akt激活可减少神经元凋亡并增强神经再生，MAPK抑制与M1小胶质细胞活化减少及神经炎症缓解相关，MAPK相关基因下调与治疗后应激和炎症信号减弱一致（图7h）。术后28天心、肝、脾、肺、肾HE染色未见病理异常，ALT、AST、CREA、BUN均处正常范围且与PBS组无显著差异，表明该系统生物相容性良好、无明显全身毒性。
图7. 仿生水凝胶系统降低S100A8表达，转录组测序揭示潜在信号通路。TBI损伤区S100A8（绿色）与a) NeuN（红色）和c) Iba-1（红色）共染的代表性免疫荧光图像。细胞核用DAPI（蓝色）复染。b) S100A8⁺/NeuN⁺细胞和d) S100A8⁺/Iba-1⁺细胞数量的定量分析。免疫荧光定量数据以平均值 ± SD表示（每组n = 6只动物）。采用单因素方差分析后进行Tukey多重比较检验。e) 转录组测序鉴定的DEGs柱状图，比较HPC@Gel组与PBS组。f) 鉴定DEGs的GO富集分析。g) 鉴定DEGs的KEGG通路富集分析。h) 说明仿生凝胶调控的潜在信号通路的示意图。
「 研究小结 」
本研究开发了一种用于治疗创伤性脑损伤（TBI）的多功能仿生水凝胶系统HPC@Gel，其核心创新在于突破了传统单一抗炎策略的局限，实现了"供氧—抗炎"双管齐下的协同治疗：该系统以模拟脑组织的凝胶基质为载体，同步递送氧载体与抗炎药物，在缓解损伤后组织缺氧的同时，削弱由关键炎症因子S100A8介导的有害神经免疫串话，从而重塑损伤微环境以支持神经修复。
实验表明，该策略不仅有效保护神经元、限制小胶质细胞过度激活，还在动物模型中显著促进内源性神经干细胞的生长与成熟，带来神经功能的显著改善。机制上，重组S100A8回补实验证实外源S100A8可部分逆转HPC@Gel的保护作用，从功能学层面验证了靶向S100A8的关键意义；转录组学揭示的PI3K-Akt与MAPK信号通路变化则进一步阐明了其潜在调控网络。总之，本研究通过仿生水凝胶同步改善缺氧并阻断S100A8介导的神经免疫串话，为TBI提供了一种新型治疗范式，即通过双靶点协同重塑损伤后微环境，有效促进神经再生与功能恢复。
