近日，中國科學(xué)院和中國科技大學(xué)的研究人員設(shè)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(tuán)隊(duì)使用一種定制的生物墨水，已經(jīng)成功地3D生物打印了負(fù)載神經(jīng)干細(xì)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(nèi)應(yīng)答的過程。一旦這些支架植入殘疾大鼠體內(nèi)，便顯示出恢復(fù)癱瘓肢體運(yùn)動的能力，科學(xué)家們現(xiàn)在相信他們的方法在未來可以應(yīng)用到治療疾病中。

中國科學(xué)院的納米生物醫(yī)學(xué)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(jīng)系統(tǒng)（CNS）和其他神經(jīng)元組織再生醫(yī)學(xué)工程的通用和多功能策略。"

△科學(xué)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(xì)胞束和神經(jīng)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(jié)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(yùn)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(xì)胞的療法，其中功能神經(jīng)元的再生被視為其未來成功的核心。實(shí)際上，這種方法涉及重建整個受傷區(qū)域的神經(jīng)元之間的聯(lián)系，以恢復(fù)神經(jīng)功能，但修復(fù)受損細(xì)胞仍然是個問題。

以前，神經(jīng)干細(xì)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(dǎo)致治療效果低下。在最近的努力中，科學(xué)家們已經(jīng)看到了生物打印的細(xì)胞負(fù)載支架，能夠創(chuàng)造一個合適的微環(huán)境，使神經(jīng)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(jié)在一起，以防止神經(jīng)元分化成不產(chǎn)生電脈沖的細(xì)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(zhì)外觀，而且促進(jìn)細(xì)胞間的相互作用。

△研究人員的神經(jīng)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(tuán)隊(duì)用天然殼聚糖、透明質(zhì)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(jīng)干細(xì)胞相結(jié)合。然后，科學(xué)家們使用BioScaffolder三維生物打印機(jī)，將所得的混合物沉積到充滿細(xì)胞的支架中，這些支架后來被儲存在培養(yǎng)板中，供進(jìn)一步測試。

在植入之前，研究團(tuán)隊(duì)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(zhì)酸的濃度越高，他們觀察到的細(xì)胞互動水平就越低，這表明他們的生物墨水可以被調(diào)整以達(dá)到所需的組織特征。

當(dāng)注射到截癱的實(shí)驗(yàn)鼠體內(nèi)時，該支架表現(xiàn)出95%的細(xì)胞存活率，同時促進(jìn)了神經(jīng)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(nèi)，接受治療的動物還顯示出恢復(fù)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(qiáng)的肌肉力量踢動了壓力傳感器。

因此，科學(xué)家們得出結(jié)論，他們的方法為建立精確控制的復(fù)雜神經(jīng)組織提供了一個多功能和強(qiáng)大的平臺，具有潛在的人體應(yīng)用。此外他們也承認(rèn)，除了在更多臨床相關(guān)的損傷模型上進(jìn)一步測試外，還需要對細(xì)胞分化進(jìn)行更精確的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

研究團(tuán)隊(duì)在他們的論文中總結(jié)道：“總的來說，這項(xiàng)研究首次清楚地證明了3D生物打印的神經(jīng)干細(xì)胞支架在體內(nèi)修復(fù)SCI的可行性。我們預(yù)計，在不久的將來，這可能會走向神經(jīng)組織工程的臨床應(yīng)用，如SCI和其他再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。"

中樞神經(jīng)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(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在越來越有可能生產(chǎn)神經(jīng)植入物，有可能治療復(fù)雜的中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷。去年，德累斯頓大學(xué)啟動的一個項(xiàng)目研發(fā)出了3D打印神經(jīng)植入物，能夠?qū)⑷四X與計算機(jī)連接起來，作為治療癱瘓等神經(jīng)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(jīng)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(shí)質(zhì)層進(jìn)行間歇性輸液，可作為未來治療帕金森病的方法。

關(guān)于具體治療脊柱損傷的問題，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員也成功地修復(fù)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(nèi)，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞生長，恢復(fù)神經(jīng)連接，并最終幫助嚙齒動物測試對象恢復(fù)肢體功能。

研究人員的研究結(jié)果詳見他們題為 "3D bioprinted neural tissue constructs for spinal cord injury repair "的論文。這項(xiàng)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。