蘇州納米所CEJ：負載神經(jīng)干細胞3D打印導電神經(jīng)支架顯著改善脊髓損傷修復效果

來源：高分子科技

脊髓損傷（SCI）是一種嚴重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷性疾病，損傷后大腦和周圍器官之間的神經(jīng)連接中斷，導致?lián)p傷節(jié)段以下的感覺和運動功能喪失，嚴重影響患者的生活質(zhì)量，并且對家庭和社會帶來巨大的經(jīng)濟負擔。目前，SCI的臨床治療方式主要包括手術(shù)治療、藥物治療和康復治療等，盡管治療技術(shù)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(zhàn)。

組織工程技術(shù)的迅速發(fā)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(jīng)支架被廣泛開發(fā)，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(jīng)細胞生長，改善損傷處微環(huán)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(jié)構(gòu)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(diào)控。由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的復雜性，傳統(tǒng)組織工程方法難以模擬脊髓組織生理結(jié)構(gòu)，從而限制了治療效果。

運用生物3D打印技術(shù)精確控制材料與細胞的分布，構(gòu)建具有類脊髓組織結(jié)構(gòu)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(huán)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(shù)。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(jīng)干細胞（NSC）的支架。結(jié)果表明，在支架的保護下，植入的NSC在體內(nèi)存活時間長達12周，并且分化成神經(jīng)元，形成神經(jīng)纖維，實現(xiàn)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(fā)的仿生支架仍然以模擬脊髓神經(jīng)束的平行排列結(jié)構(gòu)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(jīng)電信號傳導的要求。

針對上述挑戰(zhàn)，中科院蘇州納米所張智軍研究員科研團隊開發(fā)了基于甲基丙烯�；�明膠（GelMA）、甲基丙烯�；�透明質(zhì)酸（HAMA）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：磺化木質(zhì)素（PEDOT:LS）的新型導電水凝膠（圖1）。其中，GelMA/HAMA模擬神經(jīng)系統(tǒng)細胞外基質(zhì)，為支架提供力學支撐，也為NSC提供適合的生長環(huán)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(zhì)相當（0.60 S m-1）。通過精確調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)與溶脹特性適合于NSC的生長（圖2）。將導電水凝膠前驅(qū)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(shù)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(nèi)展現(xiàn)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(jīng)元的分化（圖4）。在此基礎(chǔ)上構(gòu)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(jié)果進一步表明，導電仿生支架有效地促進了損傷部位神經(jīng)元的再生，減少了膠質(zhì)瘢痕的沉積，并促進了神經(jīng)軸突的再生和髓鞘化（圖6）。本項研究開發(fā)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(jīng)干細胞的仿生支架：（A）支架內(nèi)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(nèi)培養(yǎng)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(jīng)元分化：（A）NSC向神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞分化的免疫熒光染色；（B）NSC分化的定量統(tǒng)計結(jié)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(jié)果；（B）斜板實驗結(jié)果；（C）不同實驗情況下大鼠的后肢姿態(tài)對比。

圖6 導電仿生支架促進脊髓損傷部位神經(jīng)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(tǒng)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(fā)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(zhàn)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