3D 打印 “神助攻”：構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修復(fù)脊髓損傷新突破

來源：EFL生物D3打印與生物制造

脊髓損傷的再生修復(fù)是世界性的醫(yī)學難題，目前臨床尚缺乏有效治療手段。當前，基于生物3D打印技術(shù)對“仿生基質(zhì)-干細胞”微模塊進行三維精準組裝而構(gòu)建的仿生神經(jīng)組織替代物，在神經(jīng)損傷修復(fù)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。這種仿生替代物具有“活”材料的獨特特性，其基質(zhì)材料可高效傳遞指導性信號精準驅(qū)動神經(jīng)干細胞（NSC）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自組織進程，使替代物逐漸進化為真正的神經(jīng)組織，從而實現(xiàn)受損神經(jīng)組織及功能的完美替代。然而，鑒于神經(jīng)組織的高度復(fù)雜性，如何設(shè)計基質(zhì)材料以進一步擴展材料-干細胞的相互作用，增強類組織的神經(jīng)功能性，仍然是目前研究的關(guān)鍵難點。

近日，清華大學材料學院王秀梅團隊和清華大學附屬北京清華長庚醫(yī)院神經(jīng)外科王貴懷團隊以天然神經(jīng)組織細胞外基質(zhì)（ECM）的微觀力學動態(tài)性為設(shè)計靈感，提出了一種新型的動態(tài)活性生物墨水。該墨水可通過增強3D打印微模塊中“基質(zhì)材料-NSC”的相互作用，增強NSC的機械敏感及傳導能力，為NSC行為提供指導性信號，最終可有效加速生物3D打印類神經(jīng)組織中的功能化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建進程，為實現(xiàn)高效的神經(jīng)組織功能替代提出了一種切實可行的新策略（圖1）。

相關(guān)研究以“生物3D打印動態(tài)活性仿生神經(jīng)纖維通過增強機械轉(zhuǎn)導實現(xiàn)快速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自組織修復(fù)脊髓損傷”（ 3D bioprinted dynamic bioactive living construct enhances mechanotransduction-assisted rapid neural network self-organization for spinal cord injury repair）為題，于1月8日在線發(fā)表于《 Bioactive Materials 》 (2023年影響因子18.0)。清華大學材料學院博士后楊嘉為本論文的第一作者，清華大學材料學院2024級碩士生金建求、清華長庚醫(yī)院神經(jīng)外科2022級博士生劉耀賽為本論文的共同第一作者，清華長庚醫(yī)院神經(jīng)中心主任王貴懷教授、清華長庚醫(yī)院神經(jīng)外科住院醫(yī)師楊凱元和清華大學材料學院王秀梅研究員為本論文的共同通訊作者。

圖1 生物3D打印動態(tài)活性仿生神經(jīng)纖維的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建功能性

研究表明，該動態(tài)生物活性水凝膠通過結(jié)合可逆席夫堿鍵和N-鈣粘蛋白模擬肽和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）模擬肽，可以作為生物墨水為NSC提供細胞適應(yīng)性生物力學信號和細胞命運指導性生物化學信號，增強NSC細胞感知和響應(yīng)周圍水凝膠基質(zhì)提供的動態(tài)機械力學信號和神經(jīng)營養(yǎng)信號的能力，顯著增強了NSC在 3D 基質(zhì)內(nèi)的機械感應(yīng)、擴散、遷移和基質(zhì)重塑，以實現(xiàn)對移植NSC命運的精確控制（圖2）。同時，植入體內(nèi)的生物3D打印仿生神經(jīng)纖維可以有效促進神經(jīng)發(fā)生和神經(jīng)突觸形成，加速3D生物打印結(jié)構(gòu)內(nèi)功能性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自組織（圖3），從而顯著恢復(fù)脊髓損傷大鼠的運動和感覺功能（圖4）。

圖2 動態(tài)活性生物墨水通過增強細胞機械力學轉(zhuǎn)導體外調(diào)控 NSC 命運

圖3 動態(tài)活性生物墨水調(diào)控仿生神經(jīng)組織的功能化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分子機制

圖4 生物3D打印動態(tài)活性仿生神經(jīng)纖維促進脊髓損傷大鼠的運動與感覺功能恢復(fù)

上述研究得到了國家自然科學基金、清華大學新型陶瓷材料全國重點實驗室開放課題基金和北京清華長庚醫(yī)院“啟明人才”科研基金的支持。

參考資料：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.12.028