用于脊髓損傷修復的生物3D打印神經組織

供稿人：王森、王玲
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

脊髓損傷(Spinal cord injury, SCI)是一種嚴重的中樞神經系統(tǒng)創(chuàng)傷性疾病，其特征是隨著脊髓損傷的破壞過程，損傷節(jié)段以下感覺和運動功能部分或完全喪失，如神經細胞丟失、軸突破裂、脫髓鞘等。脊髓損傷修復的關鍵是功能神經元的再生，功能神經元能夠產生軸突，從而在整個損傷區(qū)神經元之間建立有效的連接，恢復神經傳導功能。將神經干細胞（NSC）移植到SCI部位可以重建部分神經回路和功能，然而直接將NSCs移植到病變部位細胞存活率較差，分化可控性差且治療效果較低。生物相容性三維支架的和/或與NSCs的聯(lián)合植入已被證明對SCI修復是有效的，這主要是因為植入NSCs可以填補SCI部位的缺口，為細胞創(chuàng)造一個合適的微環(huán)境，從而提高組織植入部位細胞功能的恢復。生物3D打印已成為一種用于制造解剖學上精確的復雜幾何形狀和NSC空間分布神經組織結構的有前途的方法，用以修復脊髓損傷（SCI）。但是載有NSC的生物3D打印仍然面臨一些巨大的挑戰(zhàn)，例如打印過程繁瑣、細胞活力差以及細胞與材料之間的相互作用效應較弱等。

近期，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張智軍團隊利用生物3D打印技術，構建了一種具有脊髓仿生結構的神經支架，為NSCs的存活及向神經元分化提供良好的微環(huán)境，并首次探索了其在體內SCI修復中的應用。該團隊開發(fā)了一種新型的生物相容性生物墨水，該墨水由羥丙基殼聚糖(HBC)、硫代透明質酸(HA-SH)、乙烯基磺酸透明質酸(HA-VS)和基質膠(MA)組成。這種生物墨水顯示出快速膠凝（20 s內）和自發(fā)的共價交聯(lián)能力，可進行脊髓樣構建體的一步法生物3D打印并使支架具有穩(wěn)定的支撐，彈性模量為1-3kPa。打印的支架可維持較高的NSC生存能力（約95％），并能提供良好微環(huán)境以促進細胞與細胞及細胞與基質材料間的相互作用，促進神經元分化，從而優(yōu)化神經網絡的形成。在體內實驗進一步證明，生物打印支架促進軸突再生和降低神經膠質疤痕形成，可使脊髓損傷模型大鼠運動功能顯著恢復。該方法具有中樞神經系統(tǒng)和其它組織/器官精準再生醫(yī)學應用的潛力。

圖1. 載NSC生物打印神經組織構建用于體內SCI修復的示意圖。（a）HBC/HA/MA生物墨水在打印中和打印后的交聯(lián)反應；（b）生物3D打印仿脊髓結構神經支架再體內SCI修復中的應用。

圖2.（a）生物打印脊髓結構NSCs支架移植入脊髓全橫斷SD大鼠體內；（b）手術移植后SCI大鼠后肢運動BBB評分；（c）移植后3個月生物打印支架內NSCs分化為神經元以及少突膠質細胞的免疫熒光染色圖

參考文獻：
Liu X, Hao M, Chen Z, et al. 3D bioprinted neural tissue constructs for spinal cord injury repair[J]. Biomaterials, 2021, 272: 120771.