3D打印肌肉／神經細胞復合骨骼肌支架促進肌缺損恢復

供稿人：邱鎮(zhèn)南、賀健康 供稿單位：西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室

組織工程肌肉是治療肌肉缺損的一種正在被廣泛研究的方法。通過生物3D打印技術制造組織工程肌肉能夠很好的模擬天然骨骼肌的定向束結構。這項工作中，研究者提出將神經細胞與肌細胞混合到同種凝膠中，并通過多材料復合3D打印技術制造骨骼肌支架的方法。研究神經細胞的引入對肌細胞成熟、肌細胞長期存活與功能化生成肌肉-神經連接的作用。

該研究所使用的多材料多細胞復合骨骼肌支架3D打印設備如圖1 a所示，該設備具有3個打印噴頭，分別填裝有細胞水凝膠、生物聚合物PCL和犧牲水凝膠。多材料多細胞復合骨骼肌支架3D打印后結構如圖1 b所示，載有肌細胞和神經細胞的水凝膠束與犧牲凝膠束平行相間排布，在凝膠束的兩端打印PCL固定結構，以增強支架的結構穩(wěn)定性。

圖1 （a）多材料多細胞復合骨骼肌支架3D打印設備；（b）多材料多細胞復合骨骼肌支架結構示意圖；（c）去除犧牲水凝膠后復合骨骼肌示意圖具備微流道，運動神經元與肌細胞建立肌肉-神經連接

在打印復合骨骼肌支架前，通過體外培養(yǎng)肌細胞/神經細胞水凝膠并進行肌肉-神經連接功能化表征實驗，確定了水凝膠中肌細胞與神經細胞密度比為300：1時能達到最好的功能化效果。如圖2所示，使用該細胞比例打印了肌肉/神經細胞復合骨骼肌支架。復合骨骼肌支架在細胞活性和肌功能蛋白表達方面都優(yōu)于單純肌細胞的支架。并且復合骨骼肌支架中的肌細胞生成了更多的乙酰膽堿受體結構，同時形成了肌肉-神經連接。

圖2 神經元的引入對肌細胞功能化起到了促進作用 (a)復合骨骼肌支架打印路徑 (b)復合骨骼肌支架實物圖 (c)復合骨骼肌支架凝膠束死活染色結果 (d)骨骼肌支架體外培養(yǎng)1天后的細胞活性統計結果 (e-g) 骨骼肌支架體外培養(yǎng)7天后的MHC染色、肌管長度結果 (h-i)神經細胞體外分化培養(yǎng)染色 (j-l)骨骼肌支架中MHC、肌肉乙酰膽堿受體蛋白和神經絲染色(m)骨骼肌支架中乙酰膽堿受體比例統計結果(n)骨骼肌支架中乙酰膽堿受體和神經絲重貼區(qū)域面積占比統計結果

如圖3 所示，在大鼠TA肌肉缺損模型動物實驗中，肌肉/神經細胞復合骨骼肌支架使得肌缺損得到了更好的恢復。減少了缺損區(qū)域纖維蛋白沉積，即緩解了缺損處形成無功能的疤痕，增加了肌肉含量。運動神經元長入情況也得到了改善。

圖3 復合骨骼肌支架植入大鼠TA肌肉缺損模型4~8周后的修復效果

總的來說，在組織工程骨骼肌支架中引入神經細胞可以支持肌細胞的長期存活，增強肌源性分化，并誘肌肉-神經連接的形成。在大鼠TA肌肉缺損模型中該支架也促進運動神經元長入并減少了疤痕組織的形成提高了缺損區(qū)域功能化骨骼肌的占比。所以該方法是一種能夠有效加快骨骼肌缺損功能恢復的方法。

參考文獻：
J. H. Kim, I. Kim, Y. J. Seol, I. K. Ko, J. J. Yoo, A. Atala, et al. (2020) Neural cell integration into 3D bioprinted skeletal muscle constructs accelerates restoration of muscle function. Nat Commun 2020 Vol. 11 Issue 1 Pages 1025. DOI: 10.1038/s41467-020-14930-9