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

魔猴君  科技前沿   2小時(shí)前

近日，魔猴網(wǎng)了解到，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(jià)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(guò)與宿主神經(jīng)回路建立連接，實(shí)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(dòng)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(wú)法恢復(fù)神經(jīng)功能的患者。脊髓損傷影響著美國(guó)超過(guò)30萬(wàn)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(duì)著手解決這個(gè)問(wèn)題，為細(xì)胞提供了一個(gè)可以引導(dǎo)生長(zhǎng)的框架。

△定制3D打印硅膠支架。圖片來(lái)自McAlpine研究小組/UMN。

用硅膠支架引導(dǎo)神經(jīng)元

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

△實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)，促使細(xì)胞組裝成類似于天然脊髓組織的結(jié)構(gòu)。通過(guò)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(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)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(jiàn)的幾種神經(jīng)元，包括運(yùn)動(dòng)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(cè)試證實(shí)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(hào)。受這些結(jié)果的鼓舞，研究小組在脊髓斷裂的大鼠身上測(cè)試了這種支架。兩個(gè)類器官支架被放入損傷留下的空隙中。

經(jīng)過(guò)12周的治療，接受治療的動(dòng)物逐漸恢復(fù)了后肢的一些活動(dòng)能力，而那些使用空支架或沒(méi)有支架的動(dòng)物則進(jìn)展甚微。電記錄強(qiáng)化了行為學(xué)結(jié)果，表明來(lái)自大腦的信號(hào)能夠穿過(guò)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(jiàn)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(xiàng)工作仍處于早期階段，并指出目前的測(cè)試僅限于動(dòng)物，且依賴于無(wú)法永久留在體內(nèi)的硅膠支架。未來(lái)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(jì)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(jué)和運(yùn)動(dòng)功能，并改進(jìn)支架設(shè)計(jì)，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(jì)引導(dǎo)神經(jīng)生長(zhǎng)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(ài)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(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，神經(jīng)元在MXene涂層纖維上生長(zhǎng)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(zhǎng)的軸突生長(zhǎng)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?cè)O(shè)計(jì)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(dòng)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(zhǎng)，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(zhǎng)，并顯著恢復(fù)了后肢功能。為了測(cè)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(shí)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。

來(lái)源：南極熊