导 读
跟腱是连接跟骨和肌肉的结构，使机体实现复杂运动和功能。不幸的是，跟腱断裂是最常见的肌肉骨骼损伤之一。在普通人群中，每 100,000 人中有近 5~50 人遭受过跟腱断裂。此外，与沃尔夫定律相似，早期负重训练对跟腱断裂康复很重要。然而，在负重训练过程中缺乏适当的指导和监测可能会进一步增加肌腱断裂的风险。
科学问题
跟腱断裂且复发的患者往往需要额外手术治疗和漫长的恢复时间，而预后一般比较差。因此，需要探索一种新的治疗方法，在临床实践中能促进肌腱再生并实现复发的实时预警。
研究技术
mRNA-seq（伯豪生物提供技术服务）
方法
在本研究中，实验室合成了一种用于肌腱断裂再生的压电弹性体（piezoelectric elastomer for tendon rupture regeneration, PETRR）。PETRR 具有低至 0.3MPa 的弹性模量和高达 300% 的可恢复应变。这些特性使 PETRR 能够随着跟腱进行长期往复运动，实现对肌腱断裂和局部温度变化的实时传感。在大鼠跟腱急性损伤模型中，与对照组相比，PETRR 处理组的行为功能和生物力学特性显著改善。此外，通过 RNA 测序研究了 PETRR 促进肌腱再生的潜在机制，确定了一系列潜在的靶点和信号通路，以供进一步研究。
结论
本研究表明，实验室研发的 PETRR 材料可以有效地实时监测肌腱状况，促进肌腱再生。
研究设计图
研究结果
1. PETRR 的制备和 PETRR 传感器的结构 通过开发生物相容性且可拉伸的压电弹性体（PETRR）与 NFC 无线模块相结合，实现了“跟腱修复过程中电刺激治疗”和“无线应力和温度监测”，如图展示，可将 PETRR 与 NFC 无线模块结合设计无线传感器，再将其植入兔跟腱。
2. PETRR 的化学成分和结晶行为 PETRR 的化学成分使用 1HNMR( 核磁共振氢谱）和 FTIR( 傅里叶红外光谱检测）进行鉴定。PETRR 的 DSC 加热曲线显示 PETRR-10 结晶峰值−6 ℃、熔融峰值 12 ℃。当 2,3-BDO(2,3- 丁二醇）摩尔比从 10 mol% 逐步增加到 70 mol% 时，PETRR-70 的玻璃化转变温度（Tg) 从−56 ℃增加至−43 ℃、结晶峰和熔融峰消失，表明从结晶结构向非晶结构的转变。X 衍射射线图谱（XRD) 显示了类似的变化，其中随着 2,3-BDO 摩尔比的增加，PETRR 的半结晶行为转变为无定形性质，如 20 ℃衍射峰消失。根据拉伸恢复曲线，PETRR 表现出优异的弹性恢复能力，能够承受 300% 伸长率范围内的拉伸并恢复，没有任何永久变形，显示出其伴随跟腱进行往复运动的巨大潜力。综合考虑到 PETRR-50 相对较低的 Tg、无定形性质和突出的机械性能，后续以 PETRR-50 为主体，进一步研究材料的压电和生物性能。
3. 带传感器模块的 PETRR 监测体内跟腱状况 PETRR-50 随着应变从 10% 增加到 50%，PETRR-50 的输出电压从 0.149 V 增加到 0.430 V。人工引导兔子进行不同的运动模式（跑步（图 3D)、跳跃（图 3E)、拍打（图 3F) 和颤抖（图 3G)）时，发现了输出电压具有独特频率和周期性强度。在图 3B 中，随着跟腱断裂的恢复过程，压电输出电压逐渐增加，证明了跟腱的功能恢复，兔子的活动增加。同时，跟腱周围的温度保持恒定，表明没有发生炎症。此外，如图 3C 展示示，修复过程中检测出尖锐的压电峰值，这归因于兔子的过度活动而出现的继发性跟腱断裂。
4. PETRR 的体外生物相容性和压电效应 为了研究 PETRR 的细胞毒性，设计体外实验。除了对照组外，还设计了 PDMS 组（聚二甲硅氧烷，常见的非压电体移植材料）和 PETRR 组进行对比。将大鼠肌腱细胞分别接种在组织培养板表面，按分组添加不同材料，分别培养 24、48 和 72 小时后，对肌腱细胞进行活性检测。荧光图像显示，各组的活细胞（绿色）率均在 90% 以上，不同无显著差异。此外，通过细胞计数试剂盒 -8(CCK-8) 测定法检测细胞增殖。三组间无显著差异。此外，在体外细胞拉伸装置中模拟 PDMS 和 PETRR 对肌腱细胞的压电和机械效应。结果显示 PETRR 组的腱调蛋白（Tnmd) 表显著高于 PDMS 组和对照组。肌腱细胞的形态用罗丹明（红色）染色。在 PETRR 组中观察到更多的细长细胞。以上结果表明 PETRR 这种压点材料可能通过 Tnmd 蛋白促进腱调蛋白调控肌腱细胞，从而对机体有治疗作用。
5. PETRR 促进大鼠跟腱功能和生物力学的恢复 大鼠接受了开放场地试验，评估其功能行为的恢复情况。从解剖形态学观察，PETRR 组的肌腱看起来最接近正常状态，具有白色光泽的外观和几乎正常的长度。结果表明，经过 4 周的治疗，PETRR 组的长度、破坏载荷和弹性模量均有显著改善。当肌腱治疗 8 周时，与 PDMS 和对照组相比，PETRR 组的肌腱长度、破坏负荷和弹性模量都有所提高。此外，PETRR 组的横截面积也显著减少。PETRR 组的愈合肌腱具有更高的失效负荷和弹性模量，这降低了肌腱断裂的风险。
6. PETRR 在体内促进肌腱修复达到正常水平 根据改良的 Stoll 评分和胶原体积评分显示，与其他两组相比，PETRR 组的得分更高，表明 PETRR 组愈合更好。为了进一步评估肌腱再生，通过免疫组织化学染色研究了肌腱中 I 型胶原（Col-I)、III 型胶原（Col-III) 和 Tnmd 在 4 周和 8 周后的表达变化，并且在 4 周和 8 周后，PETRR 组的 Col-I/Col III 的比率显著改善。
7. PETRR 促进肌腱再生的潜在机制 为了研究 PETRR 促进肌腱再生的潜在机制，用 PETRR 处理 8 周后的肌腱组织进行 mRNA 测序。使用 Fold change >2 和 q 值 <0.05 作为过滤标准，结果得到 683 个差异表达的基因，包括上调 377 个和下调 306 个。基于差异基因富集的 GO 功能，得到几个与机械相关条目，包括机械感受器分化、对机械刺激的反应和机械刺激的感觉感知。表明 PETRR 可能通过几个潜在的核心基因调控这些机械相关功能促进肌腱再生。KEGG 通路分析表明，几种潜在的通路可以参与促进肌腱再生的过程，包括 VEGF、TNF、NF-Kappa B、IL-17、ECM 受体相互作用、AMPK 信号通路等。这些关键基因在分组上也显示和压电材料有明显的相关性。
参考文献：
Zilu Ge, Yanxiu Qiao, Weiwei Zhu, et al. Highly stretchable polyester-based piezoelectric elastomer for simultaneously realization of accelerated regeneration and motion monitoring for Achilles tendon rupture. Nano Energy. 2023,108751,ISSN 2211-2855, doi:10.1016/j.nanoen.2023.108751.
