中科院3D生物打印神经组织研究为治愈人类瘫痪开辟新道路

近日，中国科学院和中国科技大学的研究人员设计了一种新颖的基于生物打印的方法来治疗以前无法治疗的脊髓损伤。

研究团队使用一种定制的生物墨水，已经成功地3D生物打印了负载神经干细胞的组织支架，能够通过来自大脑的脉冲携带指令，这是一个模拟生物体内应答的过程。一旦这些支架植入残疾大鼠体内，便显示出恢复瘫痪肢体运动的能力，科学家们现在相信他们的方法在未来可以应用到治疗疾病中。

中国科学院的纳米生物医学工程师张志军表示："目前还没有已知的治疗脊髓损伤的有效方法。我们开发的3D生物打印策略，可能代表了一种快速和精确的中枢神经系统（CNS）和其他神经元组织再生医学工程的通用和多功能策略。"

△科学家们的新型3D生物打印和植入过程。图片来自《Biomaterials journal》

脊髓损伤的疑难问题

脊髓损伤或"SCI"是一个统称，用于描述对沿人类脊髓向大脑发送信号的细胞束和神经造成的任何损伤。虽然损伤本身可以由直接伤害或由周围椎体的挫伤引起，但结果往往是相同的：受影响区域以下部分或完全丧失感觉和运动功能。

虽然目前还没有已知的治愈SCI的方法，但现在正在开发一些有希望的基于细胞的疗法，其中功能神经元的再生被视为其未来成功的核心。实际上，这种方法涉及重建整个受伤区域的神经元之间的联系，以恢复神经功能，但修复受损细胞仍然是个问题。

以前，神经干细胞被植入SCI部位，它们也显示出较差的生存能力和不可控的分化，导致治疗效果低下。在最近的努力中，科学家们已经看到了生物打印的细胞负载支架，能够创造一个合适的微环境，使神经元能够快速生长。

为了解决这些问题，中国研究人员现在开发了一种新型的生物墨水，在体温下胶结在一起，以防止神经元分化成不产生电脉冲的细胞，并且可以三维生物打印成支架，不仅具有类似脊柱的白质外观，而且促进细胞间的相互作用。

△研究人员的神经组织被3D生物打印成3D层的gif。图片来自《Biomaterials journal》

瘫痪治疗的过程

首先，Zhang和他的团队用天然壳聚糖、透明质酸以及Matrigel的混合物配制出生物墨水，然后将它们与大鼠神经干细胞相结合。然后，科学家们使用BioScaffolder三维生物打印机，将所得的混合物沉积到充满细胞的支架中，这些支架后来被储存在培养板中，供进一步测试。

在植入之前，研究团队制备的不同样本分别被培养了三天、五天和七天，在此期间，它们增殖并形成连接。有趣的是，研究人员发现，透明质酸的浓度越高，他们观察到的细胞互动水平就越低，这表明他们的生物墨水可以被调整以达到所需的组织特征。

当注射到截瘫的实验鼠体内时，该支架表现出95%的细胞存活率，同时促进了神经元的再生，使老鼠重新获得对其后腿的控制。在12周的观察期内，接受治疗的动物还显示出恢复了无支撑情况下移动其臀部、膝盖和脚踝的能力，并以明显增强的肌肉力量踢动了压力传感器。

因此，科学家们得出结论，他们的方法为建立精确控制的复杂神经组织提供了一个多功能和强大的平台，具有潜在的人体应用。此外他们也承认，除了在更多临床相关的损伤模型上进一步测试外，还需要对细胞分化进行更精确的调节来实现这一目标。

研究团队在他们的论文中总结道：“总的来说，这项研究首次清楚地证明了3D生物打印的神经干细胞支架在体内修复SCI的可行性。我们预计，在不久的将来，这可能会走向神经组织工程的临床应用，如SCI和其他再生医学领域。"

中枢神经系统治疗中的3D生物打印

由于柔性电子和3D生物打印技术的不断进步，现在越来越有可能生产神经植入物，有可能治疗复杂的中枢神经系统损伤。去年，德累斯顿大学启动的一个项目研发出了3D打印神经植入物，能够将人脑与计算机连接起来，作为治疗瘫痪等神经系统疾病的一种手段。

在同样类似的研究中，工程公司雷尼绍与制药专家Herantis Pharma合作，来评估其3D打印的神经灌注药物输送装置的性能。这家公司旨在向器官的功能组织——实质层进行间歇性输液，可作为未来治疗帕金森病的方法。

关于具体治疗脊柱损伤的问题，加州大学圣地亚哥分校的研究人员也成功地修复了大鼠的脊髓损伤。通过将3D打印的两毫米宽的移植物植入测试对象体内，该团队已经能够促进神经干细胞生长，恢复神经连接，并最终帮助啮齿动物测试对象恢复肢体功能。

研究人员的研究结果详见他们题为 "3D bioprinted neural tissue constructs for spinal cord injury repair "的论文。这项研究是由刘晓云、郝明明、陈忠金、张婷、黄杰、戴建武和张志军共同完成的。