導 讀
跟腱是連接跟骨和肌肉的結構，使機體實現復雜運動和功能。不幸的是，跟腱斷裂是最常見的肌肉骨骼損傷之一。在普通人群中，每 100,000 人中有近 5~50 人遭受過跟腱斷裂。此外，與沃爾夫定律相似，早期負重訓練對跟腱斷裂康復很重要。然而，在負重訓練過程中缺乏適當的指導和監測可能會進一步增加肌腱斷裂的風險。
科學問題
跟腱斷裂且復發的患者往往需要額外手術治療和漫長的恢復時間，而預后一般比較差。因此，需要探索一種新的治療方法，在臨床實踐中能促進肌腱再生并實現復發的實時預警。
研究技術
mRNA-seq（伯豪生物提供技術服務）
方法
在本研究中，實驗室合成了一種用于肌腱斷裂再生的壓電彈性體（piezoelectric elastomer for tendon rupture regeneration, PETRR）。PETRR 具有低至 0.3MPa 的彈性模量和高達 300% 的可恢復應變。這些特性使 PETRR 能夠隨著跟腱進行長期往復運動，實現對肌腱斷裂和局部溫度變化的實時傳感。在大鼠跟腱急性損傷模型中，與對照組相比，PETRR 處理組的行為功能和生物力學特性顯著改善。此外，通過 RNA 測序研究了 PETRR 促進肌腱再生的潛在機制，確定了一系列潛在的靶點和信號通路，以供進一步研究。
結論
本研究表明，實驗室研發的 PETRR 材料可以有效地實時監測肌腱狀況，促進肌腱再生。
研究設計圖
研究結果
1. PETRR 的制備和 PETRR 傳感器的結構 通過開發生物相容性且可拉伸的壓電彈性體（PETRR）與 NFC 無線模塊相結合，實現了“跟腱修復過程中電刺激治療”和“無線應力和溫度監測”，如圖展示，可將 PETRR 與 NFC 無線模塊結合設計無線傳感器，再將其植入兔跟腱。
2. PETRR 的化學成分和結晶行為 PETRR 的化學成分使用 1HNMR( 核磁共振氫譜）和 FTIR( 傅里葉紅外光譜檢測）進行鑒定。PETRR 的 DSC 加熱曲線顯示 PETRR-10 結晶峰值?6 ℃、熔融峰值 12 ℃。當 2,3-BDO(2,3- 丁二醇）摩爾比從 10 mol% 逐步增加到 70 mol% 時，PETRR-70 的玻璃化轉變溫度（Tg) 從?56 ℃增加至?43 ℃、結晶峰和熔融峰消失，表明從結晶結構向非晶結構的轉變。X 衍射射線圖譜（XRD) 顯示了類似的變化，其中隨著 2,3-BDO 摩爾比的增加，PETRR 的半結晶行為轉變為無定形性質，如 20 ℃衍射峰消失。根據拉伸恢復曲線，PETRR 表現出優異的彈性恢復能力，能夠承受 300% 伸長率范圍內的拉伸并恢復，沒有任何永久變形，顯示出其伴隨跟腱進行往復運動的巨大潛力。綜合考慮到 PETRR-50 相對較低的 Tg、無定形性質和突出的機械性能，后續以 PETRR-50 為主體，進一步研究材料的壓電和生物性能。
3. 帶傳感器模塊的 PETRR 監測體內跟腱狀況 PETRR-50 隨著應變從 10% 增加到 50%，PETRR-50 的輸出電壓從 0.149 V 增加到 0.430 V。人工引導兔子進行不同的運動模式（跑步（圖 3D)、跳躍（圖 3E)、拍打（圖 3F) 和顫抖（圖 3G)）時，發現了輸出電壓具有獨特頻率和周期性強度。在圖 3B 中，隨著跟腱斷裂的恢復過程，壓電輸出電壓逐漸增加，證明了跟腱的功能恢復，兔子的活動增加。同時，跟腱周圍的溫度保持恒定，表明沒有發生炎癥。此外，如圖 3C 展示示，修復過程中檢測出尖銳的壓電峰值，這歸因于兔子的過度活動而出現的繼發性跟腱斷裂。
4. PETRR 的體外生物相容性和壓電效應 為了研究 PETRR 的細胞毒性，設計體外實驗。除了對照組外，還設計了 PDMS 組（聚二甲硅氧烷，常見的非壓電體移植材料）和 PETRR 組進行對比。將大鼠肌腱細胞分別接種在組織培養板表面，按分組添加不同材料，分別培養 24、48 和 72 小時后，對肌腱細胞進行活性檢測。熒光圖像顯示，各組的活細胞（綠色）率均在 90% 以上，不同無顯著差異。此外，通過細胞計數試劑盒 -8(CCK-8) 測定法檢測細胞增殖。三組間無顯著差異。此外，在體外細胞拉伸裝置中模擬 PDMS 和 PETRR 對肌腱細胞的壓電和機械效應。結果顯示 PETRR 組的腱調蛋白（Tnmd) 表顯著高于 PDMS 組和對照組。肌腱細胞的形態用羅丹明（紅色）染色。在 PETRR 組中觀察到更多的細長細胞。以上結果表明 PETRR 這種壓點材料可能通過 Tnmd 蛋白促進腱調蛋白調控肌腱細胞，從而對機體有治療作用。
5. PETRR 促進大鼠跟腱功能和生物力學的恢復 大鼠接受了開放場地試驗，評估其功能行為的恢復情況。從解剖形態學觀察，PETRR 組的肌腱看起來最接近正常狀態，具有白色光澤的外觀和幾乎正常的長度。結果表明，經過 4 周的治療，PETRR 組的長度、破壞載荷和彈性模量均有顯著改善。當肌腱治療 8 周時，與 PDMS 和對照組相比，PETRR 組的肌腱長度、破壞負荷和彈性模量都有所提高。此外，PETRR 組的橫截面積也顯著減少。PETRR 組的愈合肌腱具有更高的失效負荷和彈性模量，這降低了肌腱斷裂的風險。
6. PETRR 在體內促進肌腱修復達到正常水平 根據改良的 Stoll 評分和膠原體積評分顯示，與其他兩組相比，PETRR 組的得分更高，表明 PETRR 組愈合更好。為了進一步評估肌腱再生，通過免疫組織化學染色研究了肌腱中 I 型膠原（Col-I)、III 型膠原（Col-III) 和 Tnmd 在 4 周和 8 周后的表達變化，并且在 4 周和 8 周后，PETRR 組的 Col-I/Col III 的比率顯著改善。
7. PETRR 促進肌腱再生的潛在機制 為了研究 PETRR 促進肌腱再生的潛在機制，用 PETRR 處理 8 周后的肌腱組織進行 mRNA 測序。使用 Fold change >2 和 q 值 <0.05 作為過濾標準，結果得到 683 個差異表達的基因，包括上調 377 個和下調 306 個。基于差異基因富集的 GO 功能，得到幾個與機械相關條目，包括機械感受器分化、對機械刺激的反應和機械刺激的感覺感知。表明 PETRR 可能通過幾個潛在的核心基因調控這些機械相關功能促進肌腱再生。KEGG 通路分析表明，幾種潛在的通路可以參與促進肌腱再生的過程，包括 VEGF、TNF、NF-Kappa B、IL-17、ECM 受體相互作用、AMPK 信號通路等。這些關鍵基因在分組上也顯示和壓電材料有明顯的相關性。
參考文獻：
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.
