柔軟的橋梁：3D打印脊髓植入物引導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞恢復(fù)連接與運(yùn)動(dòng)功能

來源：細(xì)胞與生命科學(xué)

導(dǎo)讀：人類歷史就是一部不斷與疾病抗?fàn)幍臍v史，尤其是生物科技的長(zhǎng)足進(jìn)步，有望成為未來醫(yī)療的方向和支柱。當(dāng)疾病突然來臨，能靠的還是我們自身的免疫細(xì)胞“去扛”、“去與病毒戰(zhàn)斗”。

3D打印脊髓植入物類似一種柔軟的橋梁，可以引導(dǎo)新的神經(jīng)細(xì)胞在脊髓受損部位生長(zhǎng)。目前為止，用于治療嚴(yán)重脊髓損傷大鼠，結(jié)果令人滿意。一個(gè)很好的方向！

這種3D打印脊髓植入物是由加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員開發(fā)，未來可能幫助脊髓損傷患者恢復(fù)神經(jīng)連接及運(yùn)動(dòng)功能。
3D打印脊髓植入物類似一種柔軟的橋梁，可以引導(dǎo)新的神經(jīng)細(xì)胞在脊髓受損部位生長(zhǎng)。目前為止，該方法應(yīng)用在嚴(yán)重脊髓損傷大鼠實(shí)驗(yàn)中的結(jié)果令人滿意。研究人員在1月14日的《 Nature Medicine》雜志上發(fā)表了他們的研究成果。

3D打印的脊髓植入物由水凝膠構(gòu)成，并可根據(jù)患者自身情況定制，快速打印成不同大小和形狀的植入物，對(duì)脊髓進(jìn)行精確修復(fù)。研究人員在脊髓植入物中填充神經(jīng)干細(xì)胞，然后像拼圖一樣植入脊髓損傷部位。新的神經(jīng)細(xì)胞便開始像頭發(fā)一樣生長(zhǎng)，可以通過軸突在神經(jīng)細(xì)胞間傳遞信號(hào)的突觸也開始再生，使新生的神經(jīng)細(xì)胞相互連接，進(jìn)而連接患者的脊髓組織。

“利用快速3D打印技術(shù)，制造一個(gè)模擬中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的支架。它就像一座橋，將再生軸突連接脊髓損傷的兩端。軸突本身生長(zhǎng)無方向性,但支架可誘導(dǎo)軸突生長(zhǎng)方向，完成脊髓損傷處的連接。”

快速精準(zhǔn)的3D打印技術(shù)
3D打印脊髓植入物包含幾十個(gè)200μm寬（大約是人類頭發(fā)寬度的兩倍）的微小通道，它們引導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞和軸突沿著脊髓損傷的方向生長(zhǎng)，按損傷的長(zhǎng)度修補(bǔ)。研究小組開發(fā)的快速3D打印技術(shù)可在1.6秒內(nèi)打印出2mm大小的植入物。而傳統(tǒng)噴嘴打印機(jī)通常需要幾個(gè)小時(shí)才可打印出來。

研究人員對(duì)實(shí)際人類脊髓損傷進(jìn)行MRI掃描，并在10分鐘之內(nèi)打印了4cm大小的植入物模型。

“這充分顯示了我們3D打印技術(shù)的靈活性，我們可以快速打印出一種植入物，而且無論在大小和形狀上，它都能與患者的脊髓受損處相匹配，“本文共同第一作者納米工程博士后Wei Zhu如是說。


修復(fù)神經(jīng)細(xì)胞
研究人員將2mm長(zhǎng)、含神經(jīng)干細(xì)胞的脊髓植入物移植到大鼠脊髓損傷部位。幾個(gè)月后，新的脊髓組織修復(fù)了整個(gè)脊髓損傷，并連接了大鼠受損的脊髓。經(jīng)過治療的大鼠，后肢功能明顯改善。

Koffler說：“這標(biāo)志著，在進(jìn)行修復(fù)人類脊髓損傷的臨床試驗(yàn)方面，又邁出了關(guān)鍵的一步。3D打印支架提供了一個(gè)穩(wěn)定的物理結(jié)構(gòu)，提高神經(jīng)干細(xì)胞移植存活率。3D打印支架似乎可以保護(hù)移植的神經(jīng)干細(xì)胞，使其免受脊髓損傷引發(fā)的毒性和炎癥的傷害，并幫助引導(dǎo)軸突完全穿過損傷部位進(jìn)行修復(fù)�！�

此外，接受治療大鼠的循環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)滲透到植入物內(nèi)部，形成功能性的血管網(wǎng)，這有助于神經(jīng)干細(xì)胞的存活。

Zhu說，“血管再生是植入物在體內(nèi)長(zhǎng)期存活的主要障礙之一。3D打印的組織需要血管系統(tǒng)來獲得足夠的營(yíng)養(yǎng)并排泄廢物。我們小組之前做過3D打印血管網(wǎng)的工作，但是我們沒有把它應(yīng)用在這個(gè)工作中。由于我們的3D支架具有良好的生物相容性，生物學(xué)的力量自然而然地為我們解決了這個(gè)難題，所以我們就沒有必要考慮血管再生�！�

干細(xì)胞遇上3D打印技術(shù)
十多年來，通訊作者之一的Tuszynksi及其團(tuán)隊(duì)一直在朝著恢復(fù)嚴(yán)重脊髓損傷患者功能的最終目標(biāo)穩(wěn)步前進(jìn)。先前發(fā)表基于干細(xì)胞療法的研究，先在大鼠上，后來在猴子上，逐漸確立了這一3D打印治療脊髓損傷這一概念，并證明了其潛力。

在這個(gè)過程中，他們還顛覆了神經(jīng)元如何生長(zhǎng)的錯(cuò)誤理論知識(shí)。

今年初，他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新的脊髓神經(jīng)干細(xì)胞。它們可以分散在脊髓各處，還可在體內(nèi)存活很長(zhǎng)一段時(shí)間，成為一個(gè)可在將來利用的寶庫(kù)，臨床上可轉(zhuǎn)化為細(xì)胞源，為未來的治療提供保障。

而Chen的團(tuán)隊(duì)一直在開發(fā)下一代3D生物打印技術(shù)，以便生成精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，模擬復(fù)雜的生物組織和生物組織功能。研究人員過去曾制備出逼真的肝臟組織和復(fù)雜的血管網(wǎng)。

他們正在進(jìn)行的一個(gè)項(xiàng)目是為心臟病患者打印心臟組織，以治療心臟病發(fā)作及其他心臟疾病。這種新的脊髓植入物是此類3D生物打印組織中最新的一種類型。

△通過MRI建模打印的脊髓植入物

△模擬大鼠脊髓結(jié)構(gòu)的3D打印支架的特寫