用于脊髓損傷修復(fù)的生物3D打印神經(jīng)組織

供稿人：王森、王玲
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

脊髓損傷(Spinal cord injury, SCI)是一種嚴(yán)重的中樞神經(jīng)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(yùn)動(dòng)功能部分或完全喪失，如神經(jīng)細(xì)胞丟失、軸突破裂、脫髓鞘等。脊髓損傷修復(fù)的關(guān)鍵是功能神經(jīng)元的再生，功能神經(jīng)元能夠產(chǎn)生軸突，從而在整個(gè)損傷區(qū)神經(jīng)元之間建立有效的連接，恢復(fù)神經(jīng)傳導(dǎo)功能。將神經(jīng)干細(xì)胞（NSC）移植到SCI部位可以重建部分神經(jīng)回路和功能，然而直接將NSCs移植到病變部位細(xì)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(duì)SCI修復(fù)是有效的，這主要是因?yàn)橹踩隢SCs可以填補(bǔ)SCI部位的缺口，為細(xì)胞創(chuàng)造一個(gè)合適的微環(huán)境，從而提高組織植入部位細(xì)胞功能的恢復(fù)。生物3D打印已成為一種用于制造解剖學(xué)上精確的復(fù)雜幾何形狀和NSC空間分布神經(jīng)組織結(jié)構(gòu)的有前途的方法，用以修復(fù)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(xì)胞活力差以及細(xì)胞與材料之間的相互作用效應(yīng)較弱等。

近期，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張智軍團(tuán)隊(duì)利用生物3D打印技術(shù)，構(gòu)建了一種具有脊髓仿生結(jié)構(gòu)的神經(jīng)支架，為NSCs的存活及向神經(jīng)元分化提供良好的微環(huán)境，并首次探索了其在體內(nèi)SCI修復(fù)中的應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)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(zhì)酸(HA-SH)、乙烯基磺酸透明質(zhì)酸(HA-VS)和基質(zhì)膠(MA)組成。這種生物墨水顯示出快速膠凝（20 s內(nèi)）和自發(fā)的共價(jià)交聯(lián)能力，可進(jìn)行脊髓樣構(gòu)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(jìn)細(xì)胞與細(xì)胞及細(xì)胞與基質(zhì)材料間的相互作用，促進(jìn)神經(jīng)元分化，從而優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形成。在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，生物打印支架促進(jìn)軸突再生和降低神經(jīng)膠質(zhì)疤痕形成，可使脊髓損傷模型大鼠運(yùn)動(dòng)功能顯著恢復(fù)。該方法具有中樞神經(jīng)系統(tǒng)和其它組織/器官精準(zhǔn)再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛力。

圖1. 載NSC生物打印神經(jīng)組織構(gòu)建用于體內(nèi)SCI修復(fù)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(yīng)；（b）生物3D打印仿脊髓結(jié)構(gòu)神經(jīng)支架再體內(nèi)SCI修復(fù)中的應(yīng)用。

圖2.（a）生物打印脊髓結(jié)構(gòu)NSCs支架移植入脊髓全橫斷SD大鼠體內(nèi)；（b）手術(shù)移植后SCI大鼠后肢運(yùn)動(dòng)BBB評(píng)分；（c）移植后3個(gè)月生物打印支架內(nèi)NSCs分化為神經(jīng)元以及少突膠質(zhì)細(xì)胞的免疫熒光染色圖

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