柔軟的橋梁：3D打印脊髓植入物引導神經(jīng)細胞恢復連接與運動功能

來源：細胞與生命科學

導讀：人類歷史就是一部不斷與疾病抗爭的歷史，尤其是生物科技的長足進步，有望成為未來醫(yī)療的方向和支柱。當疾病突然來臨，能靠的還是我們自身的免疫細胞“去扛”、“去與病毒戰(zhàn)斗”。

3D打印脊髓植入物類似一種柔軟的橋梁，可以引導新的神經(jīng)細胞在脊髓受損部位生長。目前為止，用于治療嚴重脊髓損傷大鼠，結果令人滿意。一個很好的方向！

這種3D打印脊髓植入物是由加州大學圣地亞哥分校的研究人員開發(fā)，未來可能幫助脊髓損傷患者恢復神經(jīng)連接及運動功能。
3D打印脊髓植入物類似一種柔軟的橋梁，可以引導新的神經(jīng)細胞在脊髓受損部位生長。目前為止，該方法應用在嚴重脊髓損傷大鼠實驗中的結果令人滿意。研究人員在1月14日的《 Nature Medicine》雜志上發(fā)表了他們的研究成果。

3D打印的脊髓植入物由水凝膠構成，并可根據(jù)患者自身情況定制，快速打印成不同大小和形狀的植入物，對脊髓進行精確修復。研究人員在脊髓植入物中填充神經(jīng)干細胞，然后像拼圖一樣植入脊髓損傷部位。新的神經(jīng)細胞便開始像頭發(fā)一樣生長，可以通過軸突在神經(jīng)細胞間傳遞信號的突觸也開始再生，使新生的神經(jīng)細胞相互連接，進而連接患者的脊髓組織。

“利用快速3D打印技術，制造一個模擬中樞神經(jīng)系統(tǒng)結構的支架。它就像一座橋，將再生軸突連接脊髓損傷的兩端。軸突本身生長無方向性,但支架可誘導軸突生長方向，完成脊髓損傷處的連接�！�

快速精準的3D打印技術
3D打印脊髓植入物包含幾十個200μm寬（大約是人類頭發(fā)寬度的兩倍）的微小通道，它們引導神經(jīng)干細胞和軸突沿著脊髓損傷的方向生長，按損傷的長度修補。研究小組開發(fā)的快速3D打印技術可在1.6秒內(nèi)打印出2mm大小的植入物。而傳統(tǒng)噴嘴打印機通常需要幾個小時才可打印出來。

研究人員對實際人類脊髓損傷進行MRI掃描，并在10分鐘之內(nèi)打印了4cm大小的植入物模型。

“這充分顯示了我們3D打印技術的靈活性，我們可以快速打印出一種植入物，而且無論在大小和形狀上，它都能與患者的脊髓受損處相匹配，“本文共同第一作者納米工程博士后Wei Zhu如是說。


修復神經(jīng)細胞
研究人員將2mm長、含神經(jīng)干細胞的脊髓植入物移植到大鼠脊髓損傷部位。幾個月后，新的脊髓組織修復了整個脊髓損傷，并連接了大鼠受損的脊髓。經(jīng)過治療的大鼠，后肢功能明顯改善。

Koffler說：“這標志著，在進行修復人類脊髓損傷的臨床試驗方面，又邁出了關鍵的一步。3D打印支架提供了一個穩(wěn)定的物理結構，提高神經(jīng)干細胞移植存活率。3D打印支架似乎可以保護移植的神經(jīng)干細胞，使其免受脊髓損傷引發(fā)的毒性和炎癥的傷害，并幫助引導軸突完全穿過損傷部位進行修復�！�

此外，接受治療大鼠的循環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)滲透到植入物內(nèi)部，形成功能性的血管網(wǎng)，這有助于神經(jīng)干細胞的存活。

Zhu說，“血管再生是植入物在體內(nèi)長期存活的主要障礙之一。3D打印的組織需要血管系統(tǒng)來獲得足夠的營養(yǎng)并排泄廢物。我們小組之前做過3D打印血管網(wǎng)的工作，但是我們沒有把它應用在這個工作中。由于我們的3D支架具有良好的生物相容性，生物學的力量自然而然地為我們解決了這個難題，所以我們就沒有必要考慮血管再生�！�

干細胞遇上3D打印技術
十多年來，通訊作者之一的Tuszynksi及其團隊一直在朝著恢復嚴重脊髓損傷患者功能的最終目標穩(wěn)步前進。先前發(fā)表基于干細胞療法的研究，先在大鼠上，后來在猴子上，逐漸確立了這一3D打印治療脊髓損傷這一概念，并證明了其潛力。

在這個過程中，他們還顛覆了神經(jīng)元如何生長的錯誤理論知識。

今年初，他的團隊發(fā)現(xiàn)了一種新的脊髓神經(jīng)干細胞。它們可以分散在脊髓各處，還可在體內(nèi)存活很長一段時間，成為一個可在將來利用的寶庫，臨床上可轉化為細胞源，為未來的治療提供保障。

而Chen的團隊一直在開發(fā)下一代3D生物打印技術，以便生成精細的微觀結構，模擬復雜的生物組織和生物組織功能。研究人員過去曾制備出逼真的肝臟組織和復雜的血管網(wǎng)。

他們正在進行的一個項目是為心臟病患者打印心臟組織，以治療心臟病發(fā)作及其他心臟疾病。這種新的脊髓植入物是此類3D生物打印組織中最新的一種類型。

△通過MRI建模打印的脊髓植入物

△模擬大鼠脊髓結構的3D打印支架的特寫