生物3D打印類神經(jīng)組織通過增強(qiáng)神經(jīng)干細(xì)胞機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)加速功能化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)再生

來源： EngineeringForLife

脊髓損傷的再生修復(fù)是世界性的醫(yī)學(xué)難題，目前臨床尚缺乏有效治療手段。當(dāng)前，基于生物3D打印技術(shù)對(duì)“仿生基質(zhì)-干細(xì)胞”微模塊進(jìn)行三維精準(zhǔn)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(dú)特特性，其基質(zhì)材料可高效傳遞指導(dǎo)性信號(hào)精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)神經(jīng)干細(xì)胞（NSC）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自組織進(jìn)程，使替代物逐漸進(jìn)化為真正的神經(jīng)組織，從而實(shí)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(jì)基質(zhì)材料以進(jìn)一步擴(kuò)展材料-干細(xì)胞的相互作用，增強(qiáng)類組織的神經(jīng)功能性，仍然是目前研究的關(guān)鍵難點(diǎn)。

近日，清華大學(xué)材料學(xué)院王秀梅團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)附屬北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院神經(jīng)外科王貴懷團(tuán)隊(duì)以天然神經(jīng)組織細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的微觀力學(xué)動(dòng)態(tài)性為設(shè)計(jì)靈感，提出了一種新型的動(dòng)態(tài)活性生物墨水。該墨水可通過增強(qiáng)3D打印微模塊中“基質(zhì)材料-NSC”的相互作用，增強(qiáng)NSC的機(jī)械敏感及傳導(dǎo)能力，為NSC行為提供指導(dǎo)性信號(hào)，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(jìn)程，為實(shí)現(xiàn)高效的神經(jīng)組織功能替代提出了一種切實(shí)可行的新策略（圖1）。

相關(guān)研究以“生物3D打印動(dòng)態(tài)活性仿生神經(jīng)纖維通過增強(qiáng)機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)實(shí)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(xué)材料學(xué)院博士后楊嘉為本論文的第一作者，清華大學(xué)材料學(xué)院2024級(jí)碩士生金建求、清華長(zhǎng)庚醫(yī)院神經(jīng)外科2022級(jí)博士生劉耀賽為本論文的共同第一作者，清華長(zhǎng)庚醫(yī)院神經(jīng)中心主任王貴懷教授、清華長(zhǎng)庚醫(yī)院神經(jīng)外科住院醫(yī)師楊凱元和清華大學(xué)材料學(xué)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(dòng)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(dòng)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(yíng)養(yǎng)因子（BDNF）模擬肽，可以作為生物墨水為NSC提供細(xì)胞適應(yīng)性生物力學(xué)信號(hào)和細(xì)胞命運(yùn)指導(dǎo)性生物化學(xué)信號(hào)，增強(qiáng)NSC細(xì)胞感知和響應(yīng)周圍水凝膠基質(zhì)提供的動(dòng)態(tài)機(jī)械力學(xué)信號(hào)和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)信號(hào)的能力，顯著增強(qiáng)了NSC在 3D 基質(zhì)內(nèi)的機(jī)械感應(yīng)、擴(kuò)散、遷移和基質(zhì)重塑，以實(shí)現(xiàn)對(duì)移植NSC命運(yùn)的精確控制（圖2）。同時(shí)，植入體內(nèi)的生物3D打印仿生神經(jīng)纖維可以有效促進(jìn)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(yùn)動(dòng)和感覺功能（圖4）。

圖2 動(dòng)態(tài)活性生物墨水通過增強(qiáng)細(xì)胞機(jī)械力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)體外調(diào)控 NSC 命運(yùn)

圖3 動(dòng)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(jī)制

圖4 生物3D打印動(dòng)態(tài)活性仿生神經(jīng)纖維促進(jìn)脊髓損傷大鼠的運(yùn)動(dòng)與感覺功能恢復(fù)

上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)新型陶瓷材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金和北京清華長(zhǎng)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