用于脊髓损伤修复的生物3D打印神经组织

供稿人：王森、王玲
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

脊髓损伤(Spinal cord injury, SCI)是一种严重的中枢神经系统创伤性疾病，其特征是随着脊髓损伤的破坏过程，损伤节段以下感觉和运动功能部分或完全丧失，如神经细胞丢失、轴突破裂、脱髓鞘等。脊髓损伤修复的关键是功能神经元的再生，功能神经元能够产生轴突，从而在整个损伤区神经元之间建立有效的连接，恢复神经传导功能。将神经干细胞（NSC）移植到SCI部位可以重建部分神经回路和功能，然而直接将NSCs移植到病变部位细胞存活率较差，分化可控性差且治疗效果较低。生物相容性三维支架的和/或与NSCs的联合植入已被证明对SCI修复是有效的，这主要是因为植入NSCs可以填补SCI部位的缺口，为细胞创造一个合适的微环境，从而提高组织植入部位细胞功能的恢复。生物3D打印已成为一种用于制造解剖学上精确的复杂几何形状和NSC空间分布神经组织结构的有前途的方法，用以修复脊髓损伤（SCI）。但是载有NSC的生物3D打印仍然面临一些巨大的挑战，例如打印过程繁琐、细胞活力差以及细胞与材料之间的相互作用效应较弱等。

近期，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张智军团队利用生物3D打印技术，构建了一种具有脊髓仿生结构的神经支架，为NSCs的存活及向神经元分化提供良好的微环境，并首次探索了其在体内SCI修复中的应用。该团队开发了一种新型的生物相容性生物墨水，该墨水由羟丙基壳聚糖(HBC)、硫代透明质酸(HA-SH)、乙烯基磺酸透明质酸(HA-VS)和基质胶(MA)组成。这种生物墨水显示出快速胶凝（20 s内）和自发的共价交联能力，可进行脊髓样构建体的一步法生物3D打印并使支架具有稳定的支撑，弹性模量为1-3kPa。打印的支架可维持较高的NSC生存能力（约95％），并能提供良好微环境以促进细胞与细胞及细胞与基质材料间的相互作用，促进神经元分化，从而优化神经网络的形成。在体内实验进一步证明，生物打印支架促进轴突再生和降低神经胶质疤痕形成，可使脊髓损伤模型大鼠运动功能显著恢复。该方法具有中枢神经系统和其它组织/器官精准再生医学应用的潜力。

图1. 载NSC生物打印神经组织构建用于体内SCI修复的示意图。（a）HBC/HA/MA生物墨水在打印中和打印后的交联反应；（b）生物3D打印仿脊髓结构神经支架再体内SCI修复中的应用。

图2.（a）生物打印脊髓结构NSCs支架移植入脊髓全横断SD大鼠体内；（b）手术移植后SCI大鼠后肢运动BBB评分；（c）移植后3个月生物打印支架内NSCs分化为神经元以及少突胶质细胞的免疫荧光染色图

参考文献：
Liu X, Hao M, Chen Z, et al. 3D bioprinted neural tissue constructs for spinal cord injury repair[J]. Biomaterials, 2021, 272: 120771.