生物3D打印類神經(jīng)組織通過增強神經(jīng)干細胞機械轉(zhuǎn)導(dǎo)加速功能化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)再生

來源： EngineeringForLife

脊髓損傷的再生修復(fù)是世界性的醫(yī)學(xué)難題，目前臨床尚缺乏有效治療手段。當(dāng)前，基于生物3D打印技術(shù)對“仿生基質(zhì)-干細胞”微模塊進行三維精準組裝而構(gòu)建的仿生神經(jīng)組織替代物，在神經(jīng)損傷修復(fù)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。這種仿生替代物具有“活”材料的獨特特性，其基質(zhì)材料可高效傳遞指導(dǎo)性信號精準驅(qū)動神經(jīng)干細胞（NSC）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自組織進程，使替代物逐漸進化為真正的神經(jīng)組織，從而實現(xiàn)受損神經(jīng)組織及功能的完美替代。然而，鑒于神經(jīng)組織的高度復(fù)雜性，如何設(shè)計基質(zhì)材料以進一步擴展材料-干細胞的相互作用，增強類組織的神經(jīng)功能性，仍然是目前研究的關(guān)鍵難點。

近日，清華大學(xué)材料學(xué)院王秀梅團隊和清華大學(xué)附屬北京清華長庚醫(yī)院神經(jīng)外科王貴懷團隊以天然神經(jīng)組織細胞外基質(zhì)（ECM）的微觀力學(xué)動態(tài)性為設(shè)計靈感，提出了一種新型的動態(tài)活性生物墨水。該墨水可通過增強3D打印微模塊中“基質(zhì)材料-NSC”的相互作用，增強NSC的機械敏感及傳導(dǎo)能力，為NSC行為提供指導(dǎo)性信號，最終可有效加速生物3D打印類神經(jīng)組織中的功能化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建進程，為實現(xiàn)高效的神經(jīng)組織功能替代提出了一種切實可行的新策略（圖1）。

相關(guān)研究以“生物3D打印動態(tài)活性仿生神經(jīng)纖維通過增強機械轉(zhuǎn)導(dǎo)實現(xiàn)快速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自組織修復(fù)脊髓損傷”（ 3D bioprinted dynamic bioactive living construct enhances mechanotransduction-assisted rapid neural network self-organization for spinal cord injury repair）為題，于1月8日在線發(fā)表于《 Bioactive Materials 》 (2023年影響因子18.0)。清華大學(xué)材料學(xué)院博士后楊嘉為本論文的第一作者，清華大學(xué)材料學(xué)院2024級碩士生金建求、清華長庚醫(yī)院神經(jīng)外科2022級博士生劉耀賽為本論文的共同第一作者，清華長庚醫(yī)院神經(jīng)中心主任王貴懷教授、清華長庚醫(yī)院神經(jīng)外科住院醫(yī)師楊凱元和清華大學(xué)材料學(xué)院王秀梅研究員為本論文的共同通訊作者。

圖1 生物3D打印動態(tài)活性仿生神經(jīng)纖維的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建功能性

研究表明，該動態(tài)生物活性水凝膠通過結(jié)合可逆席夫堿鍵和N-鈣粘蛋白模擬肽和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）模擬肽，可以作為生物墨水為NSC提供細胞適應(yīng)性生物力學(xué)信號和細胞命運指導(dǎo)性生物化學(xué)信號，增強NSC細胞感知和響應(yīng)周圍水凝膠基質(zhì)提供的動態(tài)機械力學(xué)信號和神經(jīng)營養(yǎng)信號的能力，顯著增強了NSC在 3D 基質(zhì)內(nèi)的機械感應(yīng)、擴散、遷移和基質(zhì)重塑，以實現(xiàn)對移植NSC命運的精確控制（圖2）。同時，植入體內(nèi)的生物3D打印仿生神經(jīng)纖維可以有效促進神經(jīng)發(fā)生和神經(jīng)突觸形成，加速3D生物打印結(jié)構(gòu)內(nèi)功能性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自組織（圖3），從而顯著恢復(fù)脊髓損傷大鼠的運動和感覺功能（圖4）。

圖2 動態(tài)活性生物墨水通過增強細胞機械力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)體外調(diào)控 NSC 命運

圖3 動態(tài)活性生物墨水調(diào)控仿生神經(jīng)組織的功能化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分子機制

圖4 生物3D打印動態(tài)活性仿生神經(jīng)纖維促進脊髓損傷大鼠的運動與感覺功能恢復(fù)

上述研究得到了國家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)新型陶瓷材料全國重點實驗室開放課題基金和北京清華長庚醫(yī)院“啟明人才”科研基金的支持。

參考資料：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.12.028