柔软的桥梁：3D打印脊髓植入物引导神经细胞恢复连接与运动功能

来源：细胞与生命科学

导读：人类历史就是一部不断与疾病抗争的历史，尤其是生物科技的长足进步，有望成为未来医疗的方向和支柱。当疾病突然来临，能靠的还是我们自身的免疫细胞“去扛”、“去与病毒战斗”。

3D打印脊髓植入物类似一种柔软的桥梁，可以引导新的神经细胞在脊髓受损部位生长。目前为止，用于治疗严重脊髓损伤大鼠，结果令人满意。一个很好的方向！

这种3D打印脊髓植入物是由加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发，未来可能帮助脊髓损伤患者恢复神经连接及运动功能。
3D打印脊髓植入物类似一种柔软的桥梁，可以引导新的神经细胞在脊髓受损部位生长。目前为止，该方法应用在严重脊髓损伤大鼠实验中的结果令人满意。研究人员在1月14日的《 Nature Medicine》杂志上发表了他们的研究成果。

3D打印的脊髓植入物由水凝胶构成，并可根据患者自身情况定制，快速打印成不同大小和形状的植入物，对脊髓进行精确修复。研究人员在脊髓植入物中填充神经干细胞，然后像拼图一样植入脊髓损伤部位。新的神经细胞便开始像头发一样生长，可以通过轴突在神经细胞间传递信号的突触也开始再生，使新生的神经细胞相互连接，进而连接患者的脊髓组织。

“利用快速3D打印技术，制造一个模拟中枢神经系统结构的支架。它就像一座桥，将再生轴突连接脊髓损伤的两端。轴突本身生长无方向性,但支架可诱导轴突生长方向，完成脊髓损伤处的连接。”

快速精准的3D打印技术
3D打印脊髓植入物包含几十个200μm宽（大约是人类头发宽度的两倍）的微小通道，它们引导神经干细胞和轴突沿着脊髓损伤的方向生长，按损伤的长度修补。研究小组开发的快速3D打印技术可在1.6秒内打印出2mm大小的植入物。而传统喷嘴打印机通常需要几个小时才可打印出来。

研究人员对实际人类脊髓损伤进行MRI扫描，并在10分钟之内打印了4cm大小的植入物模型。

“这充分显示了我们3D打印技术的灵活性，我们可以快速打印出一种植入物，而且无论在大小和形状上，它都能与患者的脊髓受损处相匹配，“本文共同第一作者纳米工程博士后Wei Zhu如是说。


修复神经细胞
研究人员将2mm长、含神经干细胞的脊髓植入物移植到大鼠脊髓损伤部位。几个月后，新的脊髓组织修复了整个脊髓损伤，并连接了大鼠受损的脊髓。经过治疗的大鼠，后肢功能明显改善。

Koffler说：“这标志着，在进行修复人类脊髓损伤的临床试验方面，又迈出了关键的一步。3D打印支架提供了一个稳定的物理结构，提高神经干细胞移植存活率。3D打印支架似乎可以保护移植的神经干细胞，使其免受脊髓损伤引发的毒性和炎症的伤害，并帮助引导轴突完全穿过损伤部位进行修复。”

此外，接受治疗大鼠的循环系统已经渗透到植入物内部，形成功能性的血管网，这有助于神经干细胞的存活。

Zhu说，“血管再生是植入物在体内长期存活的主要障碍之一。3D打印的组织需要血管系统来获得足够的营养并排泄废物。我们小组之前做过3D打印血管网的工作，但是我们没有把它应用在这个工作中。由于我们的3D支架具有良好的生物相容性，生物学的力量自然而然地为我们解决了这个难题，所以我们就没有必要考虑血管再生。”

干细胞遇上3D打印技术
十多年来，通讯作者之一的Tuszynksi及其团队一直在朝着恢复严重脊髓损伤患者功能的最终目标稳步前进。先前发表基于干细胞疗法的研究，先在大鼠上，后来在猴子上，逐渐确立了这一3D打印治疗脊髓损伤这一概念，并证明了其潜力。

在这个过程中，他们还颠覆了神经元如何生长的错误理论知识。

今年初，他的团队发现了一种新的脊髓神经干细胞。它们可以分散在脊髓各处，还可在体内存活很长一段时间，成为一个可在将来利用的宝库，临床上可转化为细胞源，为未来的治疗提供保障。

而Chen的团队一直在开发下一代3D生物打印技术，以便生成精细的微观结构，模拟复杂的生物组织和生物组织功能。研究人员过去曾制备出逼真的肝脏组织和复杂的血管网。

他们正在进行的一个项目是为心脏病患者打印心脏组织，以治疗心脏病发作及其他心脏疾病。这种新的脊髓植入物是此类3D生物打印组织中最新的一种类型。

△通过MRI建模打印的脊髓植入物

△模拟大鼠脊髓结构的3D打印支架的特写