近期，清華大學(xué)材料學(xué)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Bioactive Materials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(xì)胞外基質(zhì)水凝膠和神經(jīng)干細(xì)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(jìn)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(jìn)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(xué)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(dāng)前，基于生物材料的再生醫(yī)學(xué)策略已受到廣泛關(guān)注。特別是，通過生物材料與細(xì)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(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)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(xué)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(xì)胞外基質(zhì)的水凝膠包裹著高密度的神經(jīng)干細(xì)胞組成，纖維定向排列并組裝為精準(zhǔn)適配脊髓損傷區(qū)域大小的微型類組織，可作為移植物進(jìn)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(xì)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)酸主鏈用甲基丙烯酰基化學(xué)功能化合成 GelMA 和 HAMA，通過碳-碳雙鍵共價結(jié)合在一起（1640 cm -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(hù)細(xì)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(xì)胞（NSC）的GelMA/HAMA類細(xì)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(xì)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(xì)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(jìn)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(jìn)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(xì)胞從促炎態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇僭偕鷳B(tài)，有效促進(jìn)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(xué)材料學(xué)院、再生醫(yī)學(xué)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(xué)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(xué)材料學(xué)院教授，研究員，博士研究生導(dǎo)師，再生醫(yī)學(xué)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(xué)二等獎、2014年度山東省科技進(jìn)步一等獎、2021年中國材料研究學(xué)會科學(xué)技術(shù)一等獎、2021年中華醫(yī)學(xué)科技獎一等獎、2021年北京市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎等重要獎項?，F(xiàn)擔(dān)任中國生物材料學(xué)會神經(jīng)修復(fù)材料分會主任委員，中國生物材料學(xué)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(xué)會特種陶瓷分會理事等重要學(xué)會職務(wù)。
通訊作者：王貴懷
清華大學(xué)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(dān)國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)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(xué)術(shù)和會議論文百余篇。目前擔(dān)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(xué)委員會第一屆脊髓脊柱腫瘤學(xué)組組長、北京醫(yī)學(xué)會神經(jīng)外科學(xué)分會脊髓脊柱學(xué)組組長等重要學(xué)會任職，對于脊髓脊柱相關(guān)疾病的診治達(dá)到國際先進(jìn)水平。
3、原文信息
Jia Yang, Kaiyuan Yang, Weitao Man, Jingchuan Zheng, Zheng Cao, Chun-Yi Yang, Kunkoo Kim, Shuhui Yang, Zhaohui Hou, Guihuai Wang*, Xiumei Wang*.
3D bio-printed living nerve-like fibers refine the ecological niche for long-distance spinal cord injury regeneration.
Bioactive Materials, 25 (2023) 160-175.
京公網(wǎng)安備11010802046783號
