清華大學：3D打印類神經(jīng)纖維成功修復(fù)脊髓全斷大鼠運動功能

2/2清華大學：3D打印類神經(jīng)纖維成功修復(fù)脊髓全斷大鼠運動功能

2023-05-2518:21近期，清華大學材料學院王秀梅研究員和北京清華長庚醫(yī)院王貴懷教授在科愛創(chuàng)辦的期刊BioactiveMaterials上聯(lián)合發(fā)表研究論文：3D打印類神經(jīng)纖維成功修復(fù)脊髓全斷大鼠運動功能。研究通過生物3D打印技術(shù)，結(jié)合類天然細胞外基質(zhì)水凝膠和神經(jīng)干細胞成功制備了一種有生命的類神經(jīng)纖維，可作為移植物進行修復(fù)治療，在大鼠體內(nèi)成功證實了該3D打印類神經(jīng)纖維可有效促進脊髓損傷后的神經(jīng)再生與運動功能重建。

1、研究內(nèi)容簡介

脊髓損傷修復(fù)是一項世界性的醫(yī)學難題，通常會導(dǎo)致永久性神經(jīng)功能障礙，目前仍缺乏理想的治療方法。當前，基于生物材料的再生醫(yī)學策略已受到廣泛關(guān)注。特別是，通過生物材料與細胞的原位組裝形成有生命的仿生微組織，重現(xiàn)天然組織的細胞與細胞、細胞與基質(zhì)間復(fù)雜的相互作用。作為組織工程與再生醫(yī)學領(lǐng)域的革命性技術(shù)，生物3D打印在以自下而上的組裝方式構(gòu)建仿生類組織方面大有可為，且已廣泛應(yīng)用于體外疾病模型構(gòu)建與藥物篩選，而作為移植物用于組織再生修復(fù)的巨大潛力仍待開發(fā)。本研究基于生物3D打印技術(shù)成功制備了一種有生命的類神經(jīng)纖維，該纖維由類似于天然細胞外基質(zhì)的水凝膠包裹著高密度的神經(jīng)干細胞組成，纖維定向排列并組裝為精準適配脊髓損傷區(qū)域大小的微型類組織，可作為移植物進行修復(fù)治療（圖1）。

圖1：“活”的類神經(jīng)纖維制造及功能示意圖

考慮到中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要的天然細胞外基質(zhì)（ECM）成分，本研究設(shè)計了一種由明膠和透明質(zhì)酸組成的類天然ECM混合水凝膠。明膠和透明質(zhì)酸主鏈用甲基丙烯?；瘜W功能化合成GelMA和HAMA，通過碳-碳雙鍵共價結(jié)合在一起（1640cm-1)在光聚合后形成混合網(wǎng)絡(luò)。GelMA(5%w/v)和HAMA(1%w/v)的復(fù)合溶液在25-28°C附近表現(xiàn)出明顯的溫度響應(yīng)行為，表現(xiàn)為粘度急劇下降和28°C下的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。同時，GelMA/HAMA溶液在28°C時表現(xiàn)出典型的剪切稀化行為，這對于保護細胞在印刷過程中免受剪切力損傷是必要的。此外，GelMA/HAMA溶液在紫外線(UV)照射下可快速凝膠化。因此，結(jié)合熱交聯(lián)和光交聯(lián)，GelMA/HAMA溶液可作為理想的生物墨水以高分辨率打印成各種定制結(jié)構(gòu)。本研究基于擠出式生物3D打印技術(shù)，以包載高密度神經(jīng)干細胞（NSC）的GelMA/HAMA類細胞外基質(zhì)材料作為生物墨水，一體化組裝為類神經(jīng)纖維仿生定向纖維結(jié)構(gòu)支架，并通過體外細胞表征證實了明膠與透明質(zhì)酸可作為生物墨水的仿生基質(zhì)成分調(diào)控包載的NSC的體外行為，例如長期保持活力、神經(jīng)元方向分化、活躍的細胞間通訊等（圖2）。

圖2：生物墨水的可打印性表征及“活”的類神經(jīng)纖維體外功能性表征

本研究進一步構(gòu)建了大鼠脊髓4mm全橫斷損傷模型，并將可精確適應(yīng)脊髓缺損的3D打印類神經(jīng)纖維支架植入大鼠的脊髓損傷區(qū)域，驗證該支架對大鼠脊髓損傷修復(fù)的促進作用。結(jié)果證實，植入體內(nèi)的類神經(jīng)纖維可以顯著改善脊髓損傷后的抑制性微環(huán)境，炎癥細胞從促炎態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇僭偕鷳B(tài)，有效促進植入NSC長期存活并分化為功能性神經(jīng)元，與宿主神經(jīng)元整合并形成突觸連接，重塑神經(jīng)回路，從而實現(xiàn)脊髓長距離橫斷后的脊髓神經(jīng)回路重建和運動功能恢復(fù)（圖3）。

總的來說，此研究利用3D生物打印構(gòu)建的類神經(jīng)纖維展現(xiàn)出極其優(yōu)越的神經(jīng)再生能力?；?D生物打印技術(shù)的可定制性，該策略可為個性化修復(fù)脊髓損傷提供新視角，具有重要意義。

圖3：“活”的類神經(jīng)纖維的體內(nèi)修復(fù)及再生功能性評價

2、論文第一/通訊作者簡介

第一作者：楊嘉

清華大學材料學院、再生醫(yī)學與仿生研究所2019級博士研究生。從事生物3D打印以及神經(jīng)修復(fù)材料的研發(fā)工作。

共同第一作者：楊凱元

清華大學附屬北京清華長庚醫(yī)院神經(jīng)外科醫(yī)師。從事脊髓損傷修復(fù)研究工作。

通訊作者：王秀梅

清華大學材料學院教授，研究員，博士研究生導(dǎo)師，再生醫(yī)學與仿生研究所所長，為先書院副院長。主要從事生物材料基礎(chǔ)研究及生物醫(yī)用材料產(chǎn)品開發(fā)，主要包括：多模態(tài)神經(jīng)組織再生修復(fù)材料的設(shè)計與開發(fā)，多維仿生礦化材料及組織再生修復(fù)研究以及生物醫(yī)用材料的臨床轉(zhuǎn)化及醫(yī)療器械產(chǎn)品開發(fā)。在國際期刊發(fā)表生物材料相關(guān)SCI論文180余篇，曾榮獲2011年度國家自然科學二等獎、2014年度山東省科技進步一等獎、2021年中國材料研究學會科學技術(shù)一等獎、2021年中華醫(yī)學科技獎一等獎、2021年北京市科學技術(shù)進步二等獎等重要獎項。現(xiàn)擔任中國生物材料學會神經(jīng)修復(fù)材料分會主任委員，中國生物材料學會常務(wù)理事，中國材料研究會青年工作委員會副秘書長，中國硅酸鹽學會特種陶瓷分會理事等重要學會職務(wù)。

通訊作者：王貴懷

清華大學附屬北京清華長庚醫(yī)院神經(jīng)中心主任，主任醫(yī)師，教授，博士研究生導(dǎo)師。長期致力于脊髓損傷、脊髓脊柱腫瘤、先天性脊髓脊柱發(fā)育畸形等疾病的基礎(chǔ)與臨床研究。王貴懷教授目前每年完成脊柱脊髓手術(shù)近500例，并開展了脊髓損傷治療的臨床試驗研究。先后承擔國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、首都臨床特色基金、中國抗癌協(xié)會基金及臨床研究10余項，先后發(fā)表學術(shù)和會議論文百余篇。目前擔任中國醫(yī)師協(xié)會神經(jīng)外科醫(yī)師分會脊髓脊柱專業(yè)組主任委員、世界華人神經(jīng)外科協(xié)會脊柱脊髓專業(yè)委員會主任委員、中國抗癌協(xié)會神經(jīng)腫瘤學委員會第一屆脊髓脊柱腫瘤學組組長、北京醫(yī)學會神經(jīng)外科學分會脊髓脊柱學組組長等重要學會任職，對于脊髓脊柱相關(guān)疾病的診治達到國際先進水平。

3、原文信息

JiaYang,KaiyuanYang,WeitaoMan,JingchuanZheng,ZhengCao,Chun-YiYang,KunkooKim,ShuhuiYang,ZhaohuiHou,GuihuaiWang*,XiumeiWang*.

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