中科院3D生物打印神經(jīng)組織研究為治愈人類癱瘓開辟新道路

近日，中國科學(xué)院和中國科技大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種新穎的基于生物打印的方法來治療以前無法治療的脊髓損傷。

研究團(tuán)隊(duì)使用一種定制的生物墨水，已經(jīng)成功地3D生物打印了負(fù)載神經(jīng)干細(xì)胞的組織支架，能夠通過來自大腦的脈沖攜帶指令，這是一個(gè)模擬生物體內(nèi)應(yīng)答的過程。一旦這些支架植入殘疾大鼠體內(nèi)，便顯示出恢復(fù)癱瘓肢體運(yùn)動(dòng)的能力，科學(xué)家們現(xiàn)在相信他們的方法在未來可以應(yīng)用到治療疾病中。

中國科學(xué)院的納米生物醫(yī)學(xué)工程師張志軍表示："目前還沒有已知的治療脊髓損傷的有效方法。我們開發(fā)的3D生物打印策略，可能代表了一種快速和精確的中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）和其他神經(jīng)元組織再生醫(yī)學(xué)工程的通用和多功能策略。"

△科學(xué)家們的新型3D生物打印和植入過程。圖片來自《Biomaterials journal》

脊髓損傷的疑難問題

脊髓損傷或"SCI"是一個(gè)統(tǒng)稱，用于描述對沿人類脊髓向大腦發(fā)送信號的細(xì)胞束和神經(jīng)造成的任何損傷。雖然損傷本身可以由直接傷害或由周圍椎體的挫傷引起，但結(jié)果往往是相同的：受影響區(qū)域以下部分或完全喪失感覺和運(yùn)動(dòng)功能。

雖然目前還沒有已知的治愈SCI的方法，但現(xiàn)在正在開發(fā)一些有希望的基于細(xì)胞的療法，其中功能神經(jīng)元的再生被視為其未來成功的核心。實(shí)際上，這種方法涉及重建整個(gè)受傷區(qū)域的神經(jīng)元之間的聯(lián)系，以恢復(fù)神經(jīng)功能，但修復(fù)受損細(xì)胞仍然是個(gè)問題。

以前，神經(jīng)干細(xì)胞被植入SCI部位，它們也顯示出較差的生存能力和不可控的分化，導(dǎo)致治療效果低下。在最近的努力中，科學(xué)家們已經(jīng)看到了生物打印的細(xì)胞負(fù)載支架，能夠創(chuàng)造一個(gè)合適的微環(huán)境，使神經(jīng)元能夠快速生長。

為了解決這些問題，中國研究人員現(xiàn)在開發(fā)了一種新型的生物墨水，在體溫下膠結(jié)在一起，以防止神經(jīng)元分化成不產(chǎn)生電脈沖的細(xì)胞，并且可以三維生物打印成支架，不僅具有類似脊柱的白質(zhì)外觀，而且促進(jìn)細(xì)胞間的相互作用。

△研究人員的神經(jīng)組織被3D生物打印成3D層的gif。圖片來自《Biomaterials journal》

癱瘓治療的過程

首先，Zhang和他的團(tuán)隊(duì)用天然殼聚糖、透明質(zhì)酸以及Matrigel的混合物配制出生物墨水，然后將它們與大鼠神經(jīng)干細(xì)胞相結(jié)合。然后，科學(xué)家們使用BioScaffolder三維生物打印機(jī)，將所得的混合物沉積到充滿細(xì)胞的支架中，這些支架后來被儲存在培養(yǎng)板中，供進(jìn)一步測試。

在植入之前，研究團(tuán)隊(duì)制備的不同樣本分別被培養(yǎng)了三天、五天和七天，在此期間，它們增殖并形成連接。有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，透明質(zhì)酸的濃度越高，他們觀察到的細(xì)胞互動(dòng)水平就越低，這表明他們的生物墨水可以被調(diào)整以達(dá)到所需的組織特征。

當(dāng)注射到截癱的實(shí)驗(yàn)鼠體內(nèi)時(shí)，該支架表現(xiàn)出95%的細(xì)胞存活率，同時(shí)促進(jìn)了神經(jīng)元的再生，使老鼠重新獲得對其后腿的控制。在12周的觀察期內(nèi)，接受治療的動(dòng)物還顯示出恢復(fù)了無支撐情況下移動(dòng)其臀部、膝蓋和腳踝的能力，并以明顯增強(qiáng)的肌肉力量踢動(dòng)了壓力傳感器。

因此，科學(xué)家們得出結(jié)論，他們的方法為建立精確控制的復(fù)雜神經(jīng)組織提供了一個(gè)多功能和強(qiáng)大的平臺，具有潛在的人體應(yīng)用。此外他們也承認(rèn)，除了在更多臨床相關(guān)的損傷模型上進(jìn)一步測試外，還需要對細(xì)胞分化進(jìn)行更精確的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

研究團(tuán)隊(duì)在他們的論文中總結(jié)道：“總的來說，這項(xiàng)研究首次清楚地證明了3D生物打印的神經(jīng)干細(xì)胞支架在體內(nèi)修復(fù)SCI的可行性。我們預(yù)計(jì)，在不久的將來，這可能會(huì)走向神經(jīng)組織工程的臨床應(yīng)用，如SCI和其他再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。"

中樞神經(jīng)系統(tǒng)治療中的3D生物打印

由于柔性電子和3D生物打印技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在越來越有可能生產(chǎn)神經(jīng)植入物，有可能治療復(fù)雜的中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷。去年，德累斯頓大學(xué)啟動(dòng)的一個(gè)項(xiàng)目研發(fā)出了3D打印神經(jīng)植入物，能夠?qū)⑷四X與計(jì)算機(jī)連接起來，作為治療癱瘓等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的一種手段。

在同樣類似的研究中，工程公司雷尼紹與制藥專家Herantis Pharma合作，來評估其3D打印的神經(jīng)灌注藥物輸送裝置的性能。這家公司旨在向器官的功能組織——實(shí)質(zhì)層進(jìn)行間歇性輸液，可作為未來治療帕金森病的方法。

關(guān)于具體治療脊柱損傷的問題，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員也成功地修復(fù)了大鼠的脊髓損傷。通過將3D打印的兩毫米寬的移植物植入測試對象體內(nèi)，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞生長，恢復(fù)神經(jīng)連接，并最終幫助嚙齒動(dòng)物測試對象恢復(fù)肢體功能。

研究人員的研究結(jié)果詳見他們題為 "3D bioprinted neural tissue constructs for spinal cord injury repair "的論文。這項(xiàng)研究是由劉曉云、郝明明、陳忠金、張婷、黃杰、戴建武和張志軍共同完成的。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... iew-section-figures