UMN開發(fā)定制3D打印硅膠支架，可促進(jìn)脊髓類器官形成幫助修復(fù)脊髓損傷

2025年8月27日，南極熊獲悉，明尼蘇達(dá)大學(xué)（UMN）的研究人員開發(fā)了一種可用于移植的 3D 打印類器官支架，使用具有臨床應(yīng)用價值的人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的區(qū)域特異性 sNPC。sNPC的移植已顯示出有望通過與宿主神經(jīng)回路建立連接，實現(xiàn)脊髓損傷 (SCI) 后的功能恢復(fù)。

相關(guān)研究成果以題為“3D-Printed Scaffolds PromoteEnhanced Spinal Organoid Formation for Use in Spinal Cord Injury”的論文發(fā)表在《先進(jìn)醫(yī)療材料》雜志上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adhm.202404817

研究人員將3D打印支架與區(qū)域特異性脊髓神經(jīng)祖細(xì)胞 （sNPC）相結(jié)合，組裝成類器官結(jié)構(gòu)，并能夠改善完全性脊髓損傷大鼠的部分運(yùn)動功能。盡管這些研究仍處于早期階段，但讓我們得以一窺工程組織結(jié)構(gòu)最終如何幫助目前無法恢復(fù)神經(jīng)功能的患者。

脊髓損傷影響著美國超過30萬人，常常導(dǎo)致永久性癱瘓。雖然醫(yī)療保健提高了生存率和生活質(zhì)量，但恢復(fù)失去聯(lián)系的治療仍然遙不可及。

先前的研究表明，sNPCs 在移植后可以與宿主組織形成新的連接。但注射的細(xì)胞本身容易分散，缺乏形成有序網(wǎng)絡(luò)所需的結(jié)構(gòu)。在神經(jīng)外科教授 Ann M. Parr 博士的帶領(lǐng)下，明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究團(tuán)隊著手解決這個問題，為細(xì)胞提供了一個可以引導(dǎo)生長的框架。

△定制 3D 打印硅膠支架。圖片來自 McAlpine 研究小組 / UMN。

用硅膠支架引導(dǎo)神經(jīng)元

在這個項目中，研究人員采用了一臺配備多個擠壓頭的定制3D打印機(jī)，用來制作硅膠支架。每個支架都包含微小的通道，旨在模擬脊髓的結(jié)構(gòu)。

△實驗示意圖

人類誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞首先被轉(zhuǎn)化為sNPC，然后將凝膠打印到這些通道中。這些通道引導(dǎo)軸突和樹突沿著既定路徑生長，促使細(xì)胞組裝成類似于天然脊髓組織的結(jié)構(gòu)。通過這種方式，支架既提供了支撐，也提供了指導(dǎo)，塑造了細(xì)胞的成熟方式。

實驗室實驗證明，這些支架能夠維持細(xì)胞存活一年以上。幾周之內(nèi)，sNPC 就分化成了脊髓中常見的幾種神經(jīng)元，包括運(yùn)動控制所必需的神經(jīng)元。成像顯示，軸突填充了支架通道，并遍布支架表面，形成了相互連接的網(wǎng)絡(luò)。

基因分析表明，3D 環(huán)境比平面培養(yǎng)產(chǎn)生了更廣泛的脊髓特異性神經(jīng)元，并且電測試證實神經(jīng)元不僅存活而且發(fā)揮功能，以與成熟細(xì)胞一致的方式發(fā)出信號。

受這些結(jié)果的鼓舞，研究小組在脊髓斷裂的大鼠身上測試了這種支架。兩個類器官支架被放入損傷留下的空隙中。

經(jīng)過12周的治療，接受治療的動物逐漸恢復(fù)了后肢的一些活動能力，而那些使用空支架或沒有支架的動物則進(jìn)展甚微。電記錄強(qiáng)化了行為學(xué)結(jié)果，表明來自大腦的信號能夠穿過損傷部位，并更有效地激活接受治療的大鼠的肌肉。

研究結(jié)束后的詳細(xì)檢查提供了進(jìn)一步的見解。大多數(shù)植入的細(xì)胞（約63%）成熟為神經(jīng)元，一部分成為少突膠質(zhì)細(xì)胞，并與宿主脊髓整合。這些神經(jīng)元在損傷部位的上方和下方都投射出軸突，并與現(xiàn)有細(xì)胞形成突觸。

在一些情況下，他們形成了有序的纖維束，表明受損區(qū)域可能存在類似中繼系統(tǒng)的現(xiàn)象，而非完全的中繼修復(fù)。研究人員強(qiáng)調(diào)，這項工作仍處于早期階段，并指出目前的測試僅限于動物，且依賴于無法永久留在體內(nèi)的硅膠支架。

未來的研究將集中于可溶解成天然組織形態(tài)的生物降解材料。他們還計劃添加其他類型的細(xì)胞，包括背部神經(jīng)元，以恢復(fù)感覺和運(yùn)動功能，并改進(jìn)支架設(shè)計，以更好地模擬脊髓的分層結(jié)構(gòu)。

脊柱修復(fù)的增材制造研究

3D 打印的精確度使科學(xué)家能夠設(shè)計引導(dǎo)神經(jīng)生長的支架，為脊柱創(chuàng)傷后的恢復(fù)提供結(jié)構(gòu)化的途徑。

最近，愛爾蘭皇家外科學(xué)院(RCSI)醫(yī)學(xué)與健康科學(xué)大學(xué)和都柏林圣三一學(xué)院的研究人員創(chuàng)造了一種3D 打印脊柱植入物，它將柔軟的組織狀基質(zhì)與導(dǎo)電纖維混合，旨在向受損神經(jīng)傳遞電刺激。

植入物采用熔融電寫技術(shù)生產(chǎn)，使用涂覆MXene納米片的聚己內(nèi)酯纖維，并以低、中、高密度網(wǎng)絡(luò)排列，以微調(diào)導(dǎo)電性。實驗室測試中，神經(jīng)元在MXene涂層纖維上生長更旺盛，而星形膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)性較低，小膠質(zhì)細(xì)胞未出現(xiàn)炎癥。中密度支架提供了最佳的平衡性，在電刺激下支持更長的軸突生長和更成熟的神經(jīng)元，這為脊柱修復(fù)指明了一條有希望的途徑。

此外，加州大學(xué)圣地亞哥分校醫(yī)學(xué)院和醫(yī)學(xué)工程研究所(IEM) 的科學(xué)家們設(shè)計了一種快速 3D 打印脊髓植入物，幫助重傷大鼠恢復(fù)運(yùn)動能力。微型 2 毫米支架僅用 1.6 秒就打印完成，200微米的通道可引導(dǎo)干細(xì)胞生長，并促進(jìn)軸突在受損組織間重新連接。

植入后，這些結(jié)構(gòu)支持血管生長，并顯著恢復(fù)了后肢功能。為了測試臨床可行性，研究人員還根據(jù)核磁共振成像數(shù)據(jù)，在不到10分鐘的時間內(nèi)打印出了更大的4厘米植入物，這標(biāo)志著向人體應(yīng)用邁出了重要一步。