中科院3D生物打印神經組織研究為治愈人類癱瘓開辟新道路

近日，中國科學院和中國科技大學的研究人員設計了一種新穎的基于生物打印的方法來治療以前無法治療的脊髓損傷。

研究團隊使用一種定制的生物墨水，已經成功地3D生物打印了負載神經干細胞的組織支架，能夠通過來自大腦的脈沖攜帶指令，這是一個模擬生物體內應答的過程。一旦這些支架植入殘疾大鼠體內，便顯示出恢復癱瘓肢體運動的能力，科學家們現(xiàn)在相信他們的方法在未來可以應用到治療疾病中。

中國科學院的納米生物醫(yī)學工程師張志軍表示："目前還沒有已知的治療脊髓損傷的有效方法。我們開發(fā)的3D生物打印策略，可能代表了一種快速和精確的中樞神經系統(tǒng)（CNS）和其他神經元組織再生醫(yī)學工程的通用和多功能策略。"

△科學家們的新型3D生物打印和植入過程。圖片來自《Biomaterials journal》

脊髓損傷的疑難問題

脊髓損傷或"SCI"是一個統(tǒng)稱，用于描述對沿人類脊髓向大腦發(fā)送信號的細胞束和神經造成的任何損傷。雖然損傷本身可以由直接傷害或由周圍椎體的挫傷引起，但結果往往是相同的：受影響區(qū)域以下部分或完全喪失感覺和運動功能。

雖然目前還沒有已知的治愈SCI的方法，但現(xiàn)在正在開發(fā)一些有希望的基于細胞的療法，其中功能神經元的再生被視為其未來成功的核心。實際上，這種方法涉及重建整個受傷區(qū)域的神經元之間的聯(lián)系，以恢復神經功能，但修復受損細胞仍然是個問題。

以前，神經干細胞被植入SCI部位，它們也顯示出較差的生存能力和不可控的分化，導致治療效果低下。在最近的努力中，科學家們已經看到了生物打印的細胞負載支架，能夠創(chuàng)造一個合適的微環(huán)境，使神經元能夠快速生長。

為了解決這些問題，中國研究人員現(xiàn)在開發(fā)了一種新型的生物墨水，在體溫下膠結在一起，以防止神經元分化成不產生電脈沖的細胞，并且可以三維生物打印成支架，不僅具有類似脊柱的白質外觀，而且促進細胞間的相互作用。

△研究人員的神經組織被3D生物打印成3D層的gif。圖片來自《Biomaterials journal》

癱瘓治療的過程

首先，Zhang和他的團隊用天然殼聚糖、透明質酸以及Matrigel的混合物配制出生物墨水，然后將它們與大鼠神經干細胞相結合。然后，科學家們使用BioScaffolder三維生物打印機，將所得的混合物沉積到充滿細胞的支架中，這些支架后來被儲存在培養(yǎng)板中，供進一步測試。

在植入之前，研究團隊制備的不同樣本分別被培養(yǎng)了三天、五天和七天，在此期間，它們增殖并形成連接。有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，透明質酸的濃度越高，他們觀察到的細胞互動水平就越低，這表明他們的生物墨水可以被調整以達到所需的組織特征。

當注射到截癱的實驗鼠體內時，該支架表現(xiàn)出95%的細胞存活率，同時促進了神經元的再生，使老鼠重新獲得對其后腿的控制。在12周的觀察期內，接受治療的動物還顯示出恢復了無支撐情況下移動其臀部、膝蓋和腳踝的能力，并以明顯增強的肌肉力量踢動了壓力傳感器。

因此，科學家們得出結論，他們的方法為建立精確控制的復雜神經組織提供了一個多功能和強大的平臺，具有潛在的人體應用。此外他們也承認，除了在更多臨床相關的損傷模型上進一步測試外，還需要對細胞分化進行更精確的調節(jié)來實現(xiàn)這一目標。

研究團隊在他們的論文中總結道：“總的來說，這項研究首次清楚地證明了3D生物打印的神經干細胞支架在體內修復SCI的可行性。我們預計，在不久的將來，這可能會走向神經組織工程的臨床應用，如SCI和其他再生醫(yī)學領域。"

中樞神經系統(tǒng)治療中的3D生物打印

由于柔性電子和3D生物打印技術的不斷進步，現(xiàn)在越來越有可能生產神經植入物，有可能治療復雜的中樞神經系統(tǒng)損傷。去年，德累斯頓大學啟動的一個項目研發(fā)出了3D打印神經植入物，能夠將人腦與計算機連接起來，作為治療癱瘓等神經系統(tǒng)疾病的一種手段。

在同樣類似的研究中，工程公司雷尼紹與制藥專家Herantis Pharma合作，來評估其3D打印的神經灌注藥物輸送裝置的性能。這家公司旨在向器官的功能組織——實質層進行間歇性輸液，可作為未來治療帕金森病的方法。

關于具體治療脊柱損傷的問題，加州大學圣地亞哥分校的研究人員也成功地修復了大鼠的脊髓損傷。通過將3D打印的兩毫米寬的移植物植入測試對象體內，該團隊已經能夠促進神經干細胞生長，恢復神經連接，并最終幫助嚙齒動物測試對象恢復肢體功能。

研究人員的研究結果詳見他們題為 "3D bioprinted neural tissue constructs for spinal cord injury repair "的論文。這項研究是由劉曉云、郝明明、陳忠金、張婷、黃杰、戴建武和張志軍共同完成的。

相關論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... iew-section-figures