2026年7月25日，四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心王云兵教授和胡成副研究员团队在顶级期刊《Advanced Materials》（IF=29.1）发表了题为“De Novo-Designed Peptide-Engineered Multimodal Platform for Post-Ischemic Stroke Tissue Repair”的研究论文。脑卒中后组织修复的关键在于同步解决神经炎症、氧化损伤、血管崩塌和电信号中断等多个问题，但传统策略往往顾此失彼。研究团队采用“计算到制造”的理性设计策略，通过虚拟筛选从近百万候选分子中获得了靶向VEGFR的促血管生成肽（VP），并利用表面工程策略将抗炎肽（AF-PBA）接枝到MXene纳米片上，同时引入纤维素纳米晶（CNC）解决了MXene在生理环境下的稳定性瓶颈。最终形成的多模态肽脑组织修复（MP-BTR）水凝胶集成了抗炎、抗氧化、导电和促血管生成功能，在光血栓小鼠模型中显著抑制了胶质瘢痕形成，促进了神经血管单元重建和髓鞘修复。机制上，机器学习驱动的转录组学揭示了Akt2作为核心调控枢纽，代谢组学则提示磷脂酶D信号通路参与了代谢重塑。这一数据驱动的理性设计范式为下一代生物电子组织修复材料提供了全新思路。
研究团队首先通过基于薛定谔软件的虚拟筛选，从约100万个候选分子中鉴定出与VEGFR具有强结合亲和力的先导肽（Top1，结合自由能<−75 kcal/mol）。为构建可交联的水凝胶支架，团队在Top1两端接枝了半胱氨酸残基，获得修饰后的促血管生成肽VP（序列CLEYKLHDFGYC）。分子动力学模拟显示，VP与VEGFR的结合在300 ns后趋于稳定，关键残基（如Asn897、Glu1003）通过氢键和非极性相互作用形成多维结合网络。圆二色谱证实VP以β-折叠构象为主（反平行β-折叠占33.3%），质谱确认其分子量为1490.86 Da，纯度超过99%。在细胞层面，1–5 μg/mL的VP能有效上调人脐静脉内皮细胞（HUVEC）中VEGF-A的表达，但更高浓度反而产生抑制效应，提示存在负反馈调节。
图1：VEGFR靶向促血管生成肽的计算筛选与结构验证
针对缺血后剧烈的炎症反应，团队设计了炎症响应的抗炎肽释放系统。通过分子对接发现，抗炎肽AF（MQMKKVLDS）与TNF-α蛋白的结合能为−161.51，关键残基Asn34与AF的Met1形成2.6 Å的氢键。为实现可控释放，团队将4-羧基苯硼酸（PBA）接枝到AF上形成AF-PBA偶联物。圆二色谱显示PBA修饰使反平行β-折叠含量从7.5%升至10.3%，而随机卷曲结构保持稳定（约55%）。质谱和高效液相色谱确认了AF-PBA的成功合成与高纯度（>99%）。在BV2小胶质细胞中，AF-PBA在0.2–1.0 mg/mL浓度下细胞存活率超过90%，且保留了强效的抗炎活性。在此基础上，团队通过多巴胺自聚合在MXene表面包覆聚多巴胺（PDA），获得MXene@PDA。为解决MXene@PDA在储存2个月后出现氧化降解和聚集的问题（拉曼光谱显示特征峰强度减弱），团队创新性地引入纤维素纳米晶（CNC）作为稳定剂。CNC的加入使复合材料（MP）在2个月后仍保持良好分散无沉降。最终将AF-PBA接枝到MP上形成MPA纳米复合材料，原子力显微镜显示其高度从MXene的1.5–2.0 nm增至4.0–6.0 nm，证实了表面功能化成功。
图2：抗炎肽设计、MXene表面工程与复合材料的稳定性验证
团队将PEG、VP和MPA按优化比例混合，形成PEV/MPA水凝胶。该水凝胶具有良好的可注射性和导电性（1.2 mS/cm，4 mg/mL MPA）。电化学阻抗谱和循环伏安法表明，PEV/MPA水凝胶具有更低的阻抗和更强的氧化还原活性。扫描电镜显示，MPA纳米片的引入作为物理交联点，使水凝胶网络比纯PEV水凝胶更致密均匀。流变学测试表明，储能模量（G'）始终高于损耗模量（G''），且模量值（约0.1–1 kPa）与脑组织力学性能相匹配，有利于减少材料-组织界面的力学失配。水凝胶在低应变下保持结构完整性，在高应变下呈现剪切稀化行为，并具有良好的自愈合能力。溶胀率低于10%，有助于避免颅内压升高。在模拟炎症条件（pH 6.5 + H₂O₂）下，AF-PBA的14天累积释放率达56.75%，显著高于生理条件下的36.24%，显示出炎症响应性控释特性。DPPH清除率达82.94%，证实了抗氧化活性。在氧糖剥夺（OGD）模型中，PEV/MPA水凝胶显著降低了HT22神经元和BV2小胶质细胞的死亡与活性氧水平。免疫荧光显示，PEV/MPA显著抑制了TNF-α和IL-1β的表达。管形成实验和划痕实验表明，PEV/MPA显著增加了HUVECs的管总长度、分支点数和迁移能力。
图3：MP-BTR平台的构建、导电性、力学性能与体外功能验证
为阐明MP-BTR平台的细胞调控机制，团队利用JC-1荧光染色评估了HT22细胞的线粒体膜电位。OGD处理导致线粒体去极化和膜电位下降（绿色荧光增强），而PEV/MPA处理显著逆转了这一现象，将红/绿荧光比值恢复至对照水平。在BV2细胞和HUVECs中，PEV/MPA水凝胶显著下调了氧化损伤标志物4-HNE、促炎因子IL-1β和NLRP3炎症小体的水平，同时上调了抗氧化转录因子Nrf2的表达。在HUVECs中，PEV/MPA还显著上调了CD31和VEGF-A的表达。免疫荧光染色进一步证实，PEV/MPA组的CD31和VEGF-A信号最强。综合来看，PEV/MPA水凝胶通过三条路径协同缓解OGD损伤：激活Nrf2介导的内源性抗氧化防御、抑制NLRP3/IL-1β神经炎症通路、以及创造促血管生成微环境。
图4：MP-BTR平台对线粒体膜电位、氧化应激、炎症与血管生成的体外调控
在光血栓缺血小鼠模型中，PEV/MPA水凝胶治疗显著减轻了脑水肿（脑含水量显著降低）。苏木精-伊红染色显示，PEV/MPA组梗死面积最小，细胞外基质更致密、细胞分布更均匀。体内成像表明水凝胶在35天内完全降解，确保了充足的生物效应时间窗。透射电镜显示，PEV/MPA治疗组线粒体呈现近乎正常的双层膜结构和整齐的嵴，而PT组呈现严重的线粒体肿胀和嵴断裂。免疫荧光双标显示，PEV/MPA显著降低了4-HNE阳性细胞数，同时强力上调了Nrf2表达。PEV/MPA还显著减少了IBA1阳性小胶质细胞数量、恢复了小胶质细胞静息形态，并几乎完全消除了NLRP3和IL-1β的表达。激光散斑对比成像显示，PEV/MPA组在14天时梗死体积显著缩小，伴随新生血管形成。VEGF-A和CD31免疫组化染色证实PEV/MPA组新生血管最为丰富。透射电镜和免疫荧光显示，PEV/MPA组神经元核膜完整、染色质分布均匀，且Nestin阳性神经干细胞和Neun阳性成熟神经元数量最多。
图5：MP-BTR平台在体内缓解氧化-炎症级联反应并促进神经保护
在21天时，团队进一步评估了MP-BTR平台对神经血管单元完整性的修复效果。透射电镜显示，PT组血脑屏障内皮细胞连接破坏、基底膜模糊、星形胶质细胞足突肿胀。而PEV/MPA组呈现紧密的内皮连接、连续的基底膜和近乎正常的周围结构关系。突触超微结构方面，PT组突触前囊泡减少、突触后致密物模糊、突触间隙增宽；PEV/MPA组则恢复了囊泡分布、突触后致密物厚度和突触间隙宽度。免疫荧光显示，PEV/MPA显著抑制了Tau和α-突触核蛋白的异常聚集。髓鞘标志物MOG和MAG的共定位分析表明，PEV/MPA组的Pearson相关系数（R=0.81）接近假手术组（R=0.83），而PT组仅为0.68，证实了髓鞘完整性的恢复。连接蛋白43（CX43）的网络分布和S100β的表达水平在PEV/MPA组也恢复至接近正常。GFAP和硫酸软骨素蛋白聚糖（CSPGs）双标显示，PEV/MPA显著减少了反应性星形胶质增生和胶质瘢痕面积。
图6：MP-BTR平台修复血脑屏障-髓鞘-突触轴并抑制反应性胶质增生
运动功能评估显示，PEV/MPA组小鼠在开放场测试中总移动距离显著增加，转棒跌落潜伏期在21天时接近300秒，改良神经严重程度评分下降最快。足迹追踪显示PEV/MPA组步长、步态对称性和肢体协调性接近假手术组。在神经电生理层面，PEV/MPA组刺激诱发的局部场电位潜伏期（约2.0 ms）显著短于PT组，接近假手术水平。脑电图记录显示，PT组呈现低振幅的δ波和θ波活动，而PEV/MPA组脑电信号部分恢复至接近假手术模式。透射电镜显示，PEV/MPA组髓鞘保持紧凑的层状结构，而PT组呈现明显的髓鞘分层和层间水肿。
图7：MP-BTR平台重建神经电活动与运动功能
通过RNA测序对PEV/MPA和PT组脑组织进行转录组分析，鉴定出大量差异表达基因。基因本体论富集分析显示，与炎症和免疫相关的通路（如II型干扰素应答、细胞因子介导的信号通路、NLRP3炎症小体复合物组装负调控）显著富集。血管相关GO分析显示“血管生成正向调控”和“内皮细胞增殖正向调控”显著富集。神经相关GO分析显示“髓鞘形成”是最显著富集的条目，此外“轴突再生”和“突触可塑性调控”也显著富集。加权基因共表达网络分析鉴定出与PEV/MPA治疗最相关的绿色模块。机器学习（随机森林）特征重要性排序显示，Kdr、Akt2、Sesn2、Aif1和Trem2是核心预测基因。相关性分析显示，Sesn2与Akt2呈显著负相关（R=−0.62），Kdr与Akt2呈正相关（R=0.61），Aif1与Trem2呈正相关（R=0.85）。蛋白免疫印迹证实PEV/MPA下调了NLRP3、IL-1β和IBA1，上调了Nrf2。
图8：机器学习驱动的转录组学鉴定Akt2为核心调控枢纽
值得注意的是，PT模型小鼠在恢复过程中出现了明显的毛发黄化现象。受此表型启发，团队对21天时PEV/MPA和PT组脑组织进行了非靶向代谢组学分析。京都基因与基因组百科全书功能富集分析显示，PEV/MPA处理显著富集了铁死亡、坏死性凋亡和胞葬作用等细胞过程通路。在环境信息处理方面，磷脂酶D信号通路的富集提示其可能是炎症的上游驱动因素。同时，AMPK信号通路和mTOR信号通路的调控表明治疗可能重塑了细胞能量代谢。氨基酸生物合成、色氨酸代谢等通路的富集提示PEV/MPA可能调节了核心氨基酸代谢失衡。突触囊泡循环和5-羟色胺能突触通路的富集为神经功能恢复提供了代谢背景。代谢物相关性分析显示，神经元健康标志物N-乙酰-L-天冬氨酸与促炎分子花生四烯酸呈负相关（R=−0.52），花生四烯酸与神经递质L-谷氨酸呈显著负相关（R=−0.66），而N-乙酰-L-天冬氨酸与L-谷氨酸呈显著正相关（R=0.81）。
图9：非靶向代谢组 学揭示磷脂酶 D信号轴与代谢重塑
该研究通过计算驱动的理性设计策略，成功构建了集抗炎、抗氧化、导电和促血管生成功能于一体的MP-BTR多模态水凝胶平台，在缺血性脑卒中后实现了对神经炎症（NLRP3炎症小体）、氧化应激（Nrf2通路）和血管新生（VEGFR靶向）的多靶点协同调控。尤为关键的是，纤维素纳米晶和肽的引入解决了MXene在生理环境下的不稳定性瓶颈，使其导电性得以持久保持，从而促进了神经电生理功能的重建，直接推动了髓鞘和突触的结构修复。该平台揭示了Akt2作为氧化应激、血管生成和神经炎症交汇枢纽的潜在核心地位，并提示磷脂酶D信号通路可能参与了代谢重塑过程。这一数据驱动的“计算-制造-验证”范式不仅为脑卒中后组织修复提供了全新的多模态治疗策略，也为下一代生物电子组织修复材料的理性设计建立了可推广的框架。
原文链接： https://doi.org/10.1002/adma.74330
来源：创新生物学
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