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在这篇文章中，研究者开发了一种名为P-RT/2DG的智能自组装水凝胶，旨在通过在创伤性脑损伤(TBI)手术中直接应用来改善氧气和能量代谢。该水凝胶能够在高反应氧种(ROS)环境中降解，清除ROS并释放2-脱氧葡萄糖(2DG)，从而抑制二次损伤的恶性循环。研究结果表明，P-RT/2DG水凝胶在体内外实验中均表现出显著的神经保护作用，包括减少水肿、细胞凋亡和神经炎症，并有效维持血脑屏障的完整性，为TBI的治疗提供了一种新的潜在策略。
1. P-RT/2DG水凝胶的构建、植入及其在创伤性脑损伤修复中的作用机制
研究者选用具有可控物化特性及良好生物相容性的聚乙二醇基水凝胶作为基质，通过甲基丙烯酸酐修饰制备PegMA并复合RT与2DG构建治疗体系（图1A）。小鼠创伤性脑损伤模型的手术干预过程：在清除血肿及去骨瓣减压后，于损伤区域术中局部注射P-RT/2DG水凝胶溶液，经蓝光照射形成凝胶植入体（图1B）。接下来作者阐明该水凝胶在创伤脑组织中的双重作用机制：在活性氧微环境中发挥抗氧化功能的同时，持续释放2DG以促进神经元、小胶质细胞及星形胶质细胞的能量代谢（图1C）。综上所述，P-RT/2DG水凝胶体系的构建方法、手术植入方案及其在创伤性脑损伤微环境中的抗氧化与能量代谢调控作用。
展开剩余87%图1.智能响应自组装抗氧化水凝胶促进创伤性脑损伤（TBI）术中代谢应用示意图
2. 蓝光诱导自组装ROS响应水凝胶的构建及其结构与释药特性表征
通过添加光敏剂，PegMA与RT在405 nm蓝光照射下通过C–C交联形成水凝胶（图2A）。该水凝胶表现出良好的可注射性与体内溶胶-凝胶转变特性（图2B）。随着RT浓度从1%增至3%，水凝胶透明度逐渐降低，表明RT对其宏观结构产生影响（图2C）。扫描电镜观察进一步证实：RT浓度升高使水凝胶获得更高交联密度与孔隙率，这种多孔结构有利于提升药物递送效率（图2D）。溶胀率测试显示交联度随RT浓度增加而上升（图2E）。流变学分析表明所有水凝胶的弹性模量（G′）均高于粘性模量（G″），且P-3%RT水凝胶的G′（150-180 Pa）与人脑组织模量范围（140-620 Pa）相匹配，因此被选为后续研究体系（图2F-G）。药物释放实验显示：在高氧化环境与TBI脑脊液中，P-RT/2DG水凝胶前5天释放较快，7天内累计释放超过80%，而在人工脑脊液中释放较慢，证实其具有ROS响应性控释能力（图2H）。结果表明，该水凝胶体系具备可控的物理化学特性、适宜的机械性能及针对创伤微环境的智能药物释放功能。
图2.水凝胶制剂的制备与特性
3. P-RT/2DG水凝胶通过抗氧化与抑制糖酵解减轻神经细胞氧化损伤并调控能量代谢
在H2O2诱导损伤的神经细胞模型中，P-RT/2DG水凝胶表现出显著的抗氧化能力，其细胞内ROS水平较对照组显著降低（图3A-B），且能有效抑制糖酵解过程，表现为乳酸生成量最低（图3C）。综上，P-RT/2DG水凝胶通过协同发挥抗氧化与抑制糖酵解的作用，可有效减轻细胞氧化损伤并调控能量代谢。
图3.P-RT/2DG水凝胶具有体外抗氧化效应并能抑制糖酵解
4. P-RT/2DG水凝胶在体内减轻脑水肿并维持血脑屏障完整性
与对照组和PegMA组相比，P-RT和P-RT/2DG水凝胶治疗组的脑水肿体积在创伤后第3天和第7天均显著减小，且呈下降趋势（图4A-D）。通过伊文思蓝外渗实验进一步评估血脑屏障完整性发现，P-RT和P-RT/2DG组在第7天均表现出更低的伊文思蓝渗透范围和含量，其中P-RT/2DG组的保护效果最佳（图4E-F）。结果表明，P-RT和P-RT/2DG水凝胶能有效减轻脑水肿并维持血脑屏障完整性。
图4. P-RT/2DG水凝胶减轻脑水肿并维持血脑屏障完整性
5. P-RT/2DG水凝胶通过增强抗氧化活性并抑制神经元凋亡有效缓解创伤性脑损伤后的氧化应激与组织损伤
在创伤性脑损伤（TBI）小鼠模型中，与对照组相比，经P-RT及P-RT/2DG水凝胶处理的组别表现出超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-px）水平升高、丙二醛（MDA）水平降低的趋势，其中P-RT/2DG治疗组的抗氧化活性最为显著（图5A–C）。脑组织中乳酸（LA）含量的变化与MDA呈现相同趋势（图5D）。通过DHE、SOD、GSH-px及MDA等指标的综合分析，证实该水凝胶能有效缓解TBI后的氧化应激状态（图5A–D）。进一步通过TUNEL染色评估神经细胞凋亡发现，对照组与PegMA组脑细胞核DNA断裂更严重，而P-RT和P-RT/2DG组的细胞凋亡水平显著降低（图5E）。脑组织H&E染色显示对照组与PegMA组的病灶范围最大（图5F），尼氏体染色则表明P-RT与P-RT/2DG组能更好地维持尼氏体的完整结构与数量（图5G）。实验结果系统揭示了P-RT/2DG水凝胶通过提升抗氧化酶活性、降低氧化损伤标志物、抑制细胞凋亡及减轻结构性损伤，在多维度上发挥神经保护作用。
图5. P-RT/2DG水凝胶具有抗氧化作用，并在体内抑制糖酵解
6. 抗氧化联合代谢调节（P-RT/2DG）可最有效抑制TBI后神经炎症
前四幅图显示TBI后7天脑组织炎症因子检测结果：与对照组及PegMA组相比，P-RT组与P-RT/2DG组的IL-1β、IL-6、TNF-α及CXCL-1水平均显著降低，其中P-RT/2DG组炎症因子表达量最低（图6A-D）。接下来，作者通过Iba-1与GFAP蛋白检测进一步验证：对照组与PegMA组两种蛋白表达最强，P-RT组表达减弱，而P-RT/2DG组表达量降至最低（除假手术组外）（图6E）。综上所述，抗氧化联合代谢调节能最有效地抑制TBI后的神经炎症反应。
图6. P-RT/2DG水凝胶在体内具有神经保护与抗炎作用
7. 损伤后P-RT/2DG水凝胶治疗提升神经功能
不同处理方式的TBI模型建立及神经功能评估（图7A），在旷场实验中该组小鼠表现出更低的焦虑水平（图7B-D）；改良神经功能缺损评分表明该组运动功能恢复最优（图7E）；Morris水迷宫实验进一步证实P-RT/2DG组学习记忆能力显著增强，具体表现为测试阶段寻台时间与路径更短（图7F-H），记忆阶段在目标象限停留时间与穿越平台次数接近假手术组水平（图7I-L）。整体而言，图7实验证明P-RT/2DG水凝胶能全面促进TBI后神经行为功能的恢复。
图7. 创伤性脑损伤（TBI）后使用P-RT/2DG水凝胶治疗可改善神经功能
8. P-RT/2DG水凝胶在体外和体内均具有良好的生物相容性
在第7天损伤后的小鼠体内实验中，对各组小鼠主要器官（心、肝、脾、肺、肾）的组织病理学分析未发现明显病理变化（图8A），同时，血液生化指标（门冬氨酸氨基转移酶AST、丙氨酸氨基转移酶ALT、肌酐CREA和血尿素氮BUN）的检测结果也均处于正常范围内（图8B-E）。因此，该水凝胶在体内具有良好的生物安全性。
图8. P-RT/2DG水凝胶在体外和体内均具有良好的生物相容性
结论
这篇论文研究了一种新型的智能响应自组装水凝胶（P-RT/2DG），其在创伤性脑损伤（TBI）手术中应用，旨在改善氧气和能量代谢。研究表明，P-RT/2DG水凝胶通过在手术过程中直接应用于受损脑组织，能够有效清除反应性氧种（ROS）并释放2-脱氧葡萄糖（2DG），从而抑制因氧化应激和能量代谢失调引发的继发性脑损伤。体外和体内实验结果显示，该水凝胶能够显著减少脑水肿、神经细胞凋亡和神经炎症，同时维持血脑屏障的完整性，且未观察到系统性副作用。
此外，P-RT/2DG水凝胶的应用还促进了神经功能的恢复。通过一系列神经功能评估，研究发现接受该水凝胶治疗的动物在运动能力、学习和记忆能力等方面表现出显著改善。这项研究为TBI的治疗提供了一种新的策略，具有潜在的临床应用前景，尤其是在涉及颅内病灶或出血的手术中。
在该研究中，研究人员使用了赛昂斯旷场实验箱（SANS SA215）和Morris 水迷宫（SANS SA201）来进行实验操作。
SA201 Morris水迷宫
Morris水迷宫（Morris water maze, MWM）实验是一种强迫实验动物（大鼠、小鼠）游泳，学习寻找隐藏在水中平台的一种实验，主要用于测试实验动物对空间位置感和方向感（空间定位）的学习记忆能力。被广泛应用于学习记忆、老年痴呆、海马/外海马研究、智力与衰老、新药开发/筛选/评价、药理学、毒理学、预防医学、神经生物学、动物心理学及行为生物学等多个学科的科学研究和计算机辅助教学等领域，在世界上已经得到广泛地认可，是医学院校开展行为学研究尤其是学习与记忆研究的首选经典实验。Morris水迷宫其最主要的附件之一就是水池，水池的质量及功能是实验不可却少的部分，在实验中水温的温度是实验的关键，我公司生产的恒温水池是国内唯一有此功能的，其温度控温，及准确度已达到先进水平。
SA215 旷场实验箱
旷场实验视频分析系统（open field test）是观察研究实验动物神经精神变化、进入开阔环境后的各种行为，例如动物对新开阔环境的恐惧而主要在周边区域活动，在中央区域活动较少，但动物的探究特性又促使其产生在中央区域活动的动机，也可观察由此而产生的焦虑心理。中枢兴奋药物可以明显增加自主的活动而减少探究行为，一定剂量的抗精神病药物可以减少探究行为而不影响自主活动。
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