中科院蘇州納米所在生物 3D 打印用于脊髓損傷修復(fù)研究中獲進(jìn)展

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研

脊髓損傷（SCI）作為一種嚴(yán)重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷性疾病，全球每年約有50萬(wàn)人因病致殘。其臨床癥狀表現(xiàn)為脊髓損傷段位以下局部甚至全部肢體感覺(jué)以及運(yùn)動(dòng)功能暫時(shí)或永久性喪失。脊髓損傷后發(fā)生一系列反應(yīng)，如神經(jīng)細(xì)胞大量死亡、缺血、炎癥反應(yīng)以及膠質(zhì)瘢痕的形成，導(dǎo)致其臨床治療面臨巨大挑戰(zhàn)。

近年來(lái)生物3D打印技術(shù)的快速發(fā)展為脊髓損傷修復(fù)提供了新的策略。將生物材料、細(xì)胞以及生物活性因子等組成的生物墨水進(jìn)行活細(xì)胞打印，通過(guò)精確調(diào)控生物墨水中各組分比例以及打印條件，可以更好地模擬組織或器官的力學(xué)性能、生理結(jié)構(gòu)和生物功能，從而實(shí)現(xiàn)組織/器官的快速精準(zhǔn)制造與損傷修復(fù)。由于神經(jīng)干細(xì)胞（NSCs）的敏感性和脆弱性，基于NSCs的生物3D打印存在著可選擇的生物墨水種類少，生物打印過(guò)程繁瑣，打印后細(xì)胞存活率低，細(xì)胞-支架相互作用弱等問(wèn)題，從而極大限制了其在SCI治療中的應(yīng)用。

圖1（a）HBC/HA/MA生物墨水中發(fā)生的交聯(lián)反應(yīng)；（b）生物3D打印仿脊髓結(jié)構(gòu)神經(jīng)支架用于脊髓損傷修復(fù)示意圖。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張智軍研究團(tuán)隊(duì)最近利用生物3D打印技術(shù)構(gòu)建了一種具有脊髓仿生結(jié)構(gòu)的神經(jīng)支架，為NSCs的存活以及向神經(jīng)元分化提供良好的微環(huán)境，應(yīng)用于SD大鼠的脊髓損傷治療（圖1）。在該治療策略中，研究人員首先創(chuàng)新性設(shè)計(jì)、制備了由羥丁基殼聚糖（HBC）、巰基透明質(zhì)酸（HA-SH）、二乙烯砜基透明質(zhì)酸（HA-VS）以及基質(zhì)膠（MA）組成的具有良好可打印性以及生物相容性的生物墨水HBC/HA/MA。利用HBC優(yōu)異的溫度響應(yīng)性以及HA-SH與HA-VS間邁克爾加成反應(yīng)的自發(fā)二次交聯(lián)，“一步法”實(shí)現(xiàn)了負(fù)載NSCs的神經(jīng)支架生物3D打印。打印過(guò)程流暢，打印線條固化速度快（37 ℃ 20 s內(nèi)成膠），成型后的支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，打印后支架內(nèi)NSCs的存活率可高達(dá)95%。隨后通過(guò)對(duì)生物信號(hào)（MA）、力學(xué)性能、孔徑大小等多因素的優(yōu)化，有效增強(qiáng)了細(xì)胞-細(xì)胞以及細(xì)胞-支架之間的相互作用，從而顯著促進(jìn)了NSCs向神經(jīng)元分化。在此基礎(chǔ)上，研究人員考察了該3D神經(jīng)支架在SCI大鼠中對(duì)脊髓損傷的修復(fù)效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在3D打印支架的保護(hù)下植入的NSCs在體內(nèi)存活時(shí)間長(zhǎng)達(dá)12周，并且分化成神經(jīng)元，形成神經(jīng)纖維，實(shí)現(xiàn)軸突再生，從而顯著改善了SCI大鼠后肢運(yùn)動(dòng)功能（圖2）。

圖2（a）生物打印脊髓結(jié)構(gòu)NSCs支架移植入脊髓全橫斷SD大鼠體內(nèi)；（b）手術(shù)移植后12周，SCI大鼠后肢運(yùn)動(dòng)BBB評(píng)分；（c）生物打印支架內(nèi)NSCs分化為神經(jīng)元以及少突膠質(zhì)細(xì)胞的免疫熒光染色圖。

上述工作為生物3D打印快速精準(zhǔn)構(gòu)建神經(jīng)仿生支架及其在脊髓損傷修復(fù)等再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一種新的策略。相關(guān)研究成果以“3D bioprinted neural tissue constructs for spinal cord injury repair”為題，近期發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Biomaterials（Biomaterials, 2021, 272, 120771）上。中科院蘇州納米所博士生劉曉云為第一作者，張智軍研究員與黃潔副研究員為共同通訊作者。該工作得到中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所戴建武研究員和蘇州納米所張珽研究員的通力合作，并得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。