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蘇州納米所張智軍研究員團隊 CEJ：負載神經干細胞3D打印導電神經支架顯著改善脊髓損傷修復效果

2022-08-29 來源：高分子科技

脊髓損傷（SCI）是一種嚴重的中樞神經系統創傷性疾病，損傷后大腦和周圍器官之間的神經連接中斷，導致損傷節段以下的感覺和運動功能喪失，嚴重影響患者的生活質量，并且對家庭和社會帶來巨大的經濟負擔。目前，SCI的臨床治療方式主要包括手術治療、藥物治療和康復治療等，盡管治療技術有了長足的進步，但恢復患者的感覺和運動功能仍然是一個巨大挑戰。

組織工程技術的迅速發展為SCI修復提供了新的策略。目前，具有特定物理和生物功能的神經支架被廣泛開發，在植入后支架能夠為受損脊髓組織提供力學支撐，引導神經細胞生長，改善損傷處微環境，并促進SCI的修復。為達到理想的治療效果，組織工程支架應仿生天然脊髓的組織結構和生理功能，并針對SCI的病理生理特征對細胞和生物材料的沉積進行精確調控。由于中樞神經系統的復雜性，傳統組織工程方法難以模擬脊髓組織生理結構，從而限制了治療效果。

運用生物3D打印技術精確控制材料與細胞的分布，構建具有類脊髓組織結構和生理功能的仿生支架，植入損傷部位，是解決這一問題的有效途徑。生物3D打印是將生物材料和細胞、細胞因子等按組織功能、細胞特定微環境等要求，用3D打印制造出具有個性化的體外三維模型的一種技術。近年來，中科院蘇州納米所張智軍研究員團隊采用擠出式生物3D打印制備了負載神經干細胞（NSC）的支架。結果表明，在支架的保護下，植入的NSC在體內存活時間長達12周，并且分化成神經元，形成神經纖維，實現軸突再生，顯著改善了SCI大鼠后肢運動功能（Biomaterials 2021, 272, 120771；Acta Biomaterialia 2022, 10.1016/j.actbio.2022.08.031）。然而，目前開發的仿生支架仍然以模擬脊髓神經束的平行排列結構為主，缺乏對于脊髓組織的電生理功能的仿生，難以滿足脊髓神經電信號傳導的要求。針對上述挑戰，中科院蘇州納米所張智軍研究員科研團隊開發了基于甲基丙烯酰化明膠（GelMA）、甲基丙烯酰化透明質酸（HAMA）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：磺化木質素（PEDOT:LS）的新型導電水凝膠（圖1）。其中，GelMA/HAMA模擬神經系統細胞外基質，為支架提供力學支撐，也為NSC提供適合的生長環境；PEDOT是一類導電性高、生物相容性好的導電高分子，LS的摻雜有效提高了PEDOT的分散性。PEDOT:LS的引入顯著提高支架的導電性，使得支架的電導率與天然脊髓白質相當（0.60 S m^-1）。通過精確調節光固化時間，水凝膠顯示出與脊髓組織相似的機械性能（儲能模量 ≈ 1 KPa），并且其多孔結構與溶脹特性適合于NSC的生長（圖2）。將導電水凝膠前驅體溶液與NSC共混制備生物墨水，通過擠出式生物3D打印技術制備導電脊髓仿生支架。打印后，NSC的存活率超過90%，并且能夠在支架內展現良好的增殖行為（圖3）。更重要的是，與非導電支架相比，導電支架顯著促進了NSC向神經元的分化（圖4）。在此基礎上構建大鼠脊髓全橫斷模型，植入仿生支架極大地促進了SCI大鼠后肢運動功能的恢復（圖5）。損傷斷面處免疫熒光染色結果進一步表明，導電仿生支架有效地促進了損傷部位神經元的再生，減少了膠質瘢痕的沉積，并促進了神經軸突的再生和髓鞘化（圖6）。本項研究開發的導電脊髓仿生支架，為SCI的修復提供了一種新策略。

圖1 生物3D打印導電脊髓仿生支架促進脊髓損傷修復的示意圖。

圖2 導電水凝膠的性能表征：（A）儲能模量與損耗模量；（B）溶脹率；（C）SEM照片；（D）電導率；（E）阻抗譜。

圖3 生物3D打印制備負載神經干細胞的仿生支架：（A）支架內的NSC在1天和7天的活/死染色示意圖；（B）打印后NSC的存活率；（C）NSC在支架內培養1天、3天和7天的細胞活力。

圖4 導電水凝膠支架促進NSC向神經元分化：（A）NSC向神經元和星形膠質細胞分化的免疫熒光染色；（B）NSC分化的定量統計結果。

圖5 治療后SCI大鼠的運動功能恢復狀況：（A）BBB運動功能評分結果；（B）斜板實驗結果；（C）不同實驗情況下大鼠的后肢姿態對比。

圖6 導電仿生支架促進脊髓損傷部位神經元再生：損傷截面處GFAP、 Tuj-1、MAP2和NF免疫熒光染色和表達量統計。

該工作以“3D bioprinted conductive spinal cord biomimetic scaffolds for promoting neuronal differentiation of neural stem cells and repairing of spinal cord injury”為題發表在《Chemcial Engineering Journal》上。中科院蘇州納米所博士后杲辰為論文的第一作者，中科院蘇州納米所張智軍研究員和黃潔副研究員為共同通訊作者。該研究得到了中科院戰略性先導專項（XDA16020100）、國家自然科學基金（32171367）等項目的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138788

作者簡介：

張智軍，中科院蘇州納米所研究員，博士生導師。近年來主要從事生物材料與干細胞再生醫學、干細胞納米示蹤技術以及納米載藥系統與診療一體化納米平臺的構建研究。在《Nature Materials》，《Nano Letters》，《Advanced Materials》以及《Biomaterials》等期刊發表論文120余篇，引用9000余次；獲美國專利1項、中國專利10項。近年來承擔了國家重點研發計劃、中國科學院戰略先導科技專項以及中國科學院重點部署項目等科研課題。

黃潔，中科院蘇州納米所副研究員，納米生物醫學部副主任。近年來主要從事各種納米材料的設計、合成，及其在干細胞示蹤及腫瘤成像方面的應用；新型高分子水凝膠的研制及其在干細胞再生醫學中的應用。以第一作者或通訊作者身份在《Advanced Materials》、《Advanced Functional Materials》、《Biomaterials》、《Small》等期刊上發表論文20余篇。

課題組主頁：http://biomed.sinano.ac.cn/ketizu/index.php?id=32

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（責任編輯：xu）

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