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蘇州納米所張智軍團隊在生物3D打印用于脊髓損傷修復研究方面獲進展

  脊髓損傷(SCI)作為一種嚴重的中樞神經系統創傷性疾病,全球每年約有50萬人因病致殘。其臨床癥狀表現為脊髓損傷段位以下局部甚至全部肢體感覺以及運動功能暫時或永久性喪失。脊髓損傷后發生一系列反應,如神經細胞大量死亡、缺血、炎癥反應以及膠質瘢痕的形成,導致其臨床治療面臨巨大挑戰。 

  近年來生物3D打印技術的快速發展為脊髓損傷修復提供了新的策略。將生物材料、細胞以及生物活性因子等組成的生物墨水進行活細胞打印,通過精確調控生物墨水中各組分比例以及打印條件,可以更好地模擬組織或器官的力學性能、生理結構和生物功能,從而實現組織/器官的快速精準制造與損傷修復。由于神經干細胞(NSCs)的敏感性和脆弱性,基于NSCs的生物3D打印存在著可選擇的生物墨水種類少,生物打印過程繁瑣,打印后細胞存活率低,細胞-支架相互作用弱等問題,從而極大限制了其在SCI治療中的應用。 

  針對上述挑戰,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張智軍研究團隊最近利用生物3D打印技術構建了一種具有脊髓仿生結構的神經支架,為NSCs的存活以及向神經元分化提供良好的微環境,應用于SD大鼠的脊髓損傷治療(圖1)。在該治療策略中,研究人員首先創新性設計、制備了由羥丁基殼聚糖(HBC)、巰基透明質酸(HA-SH)、二乙烯砜基透明質酸(HA-VS)以及基質膠(MA)組成的具有良好可打印性以及生物相容性的生物墨水HBC/HA/MA。利用HBC優異的溫度響應性以及HA-SHHA-VS間邁克爾加成反應的自發二次交聯,“一步法”實現了負載NSCs的神經支架生物3D打印。打印過程流暢,打印線條固化速度快(37  20 s內成膠),成型后的支架結構穩定,打印后支架內NSCs的存活率可高達95%。隨后通過對生物信號(MA)、力學性能、孔徑大小等多因素的優化,有效增強了細胞-細胞以及細胞-支架之間的相互作用,從而顯著促進了NSCs向神經元分化。在此基礎上,研究人員考察了該3D神經支架在SCI大鼠中對脊髓損傷的修復效果,實驗結果表明在3D打印支架的保護下植入的NSCs在體內存活時間長達12周,并且分化成神經元,形成神經纖維,實現軸突再生,從而顯著改善了SCI大鼠后肢運動功能(圖2)。 

  上述工作為生物3D打印快速精準構建神經仿生支架及其在脊髓損傷修復等再生醫學領域的應用提供了一種新的策略。相關研究成果以3D bioprinted neural tissue constructs for spinal cord injury repair”為題,近期發表在國際學術期刊BiomaterialsBiomaterials, 2021, 272, 120771。中科院蘇州納米所博士生劉曉云為第一作者,張智軍研究員與黃潔副研究員為共同通訊作者。該工作得到中國科學院遺傳與發育生物學研究所戴建武研究員和蘇州納米所張珽研究員的通力合作,并得到中科院戰略性先導科技專項和國家重點研發計劃等項目的支持。 

          1aHBC/HA/MA生物墨水中發生的交聯反應;(b)生物3D打印仿脊髓結構神經支架用于脊髓損傷修復示意圖。 

        2a)生物打印脊髓結構NSCs支架移植入脊髓全橫斷SD大鼠體內;(b)手術移植后12周,SCI大鼠后肢運動BBB評分;(c)生物打印支架內NSCs分化為神經元以及少突膠質細胞的免疫熒光染色圖。 

   

   


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