近日，魔猴網(wǎng)了解到，明尼蘇達大學（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，使用具有臨床應用價值的人類誘導多能干細胞衍生的區(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。

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。但注射的細胞本身容易分散，缺乏形成有序網(wǎng)絡所需的結(jié)構(gòu)。在神經(jīng)外科教授Ann M.Parr博士的帶領下，明尼蘇達大學的研究團隊著手解決這個問題，為細胞提供了一個可以引導生長的框架。

△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，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

人類誘導性多能干細胞首先被轉(zhuǎn)化為sNPC，然后將凝膠打印到這些通道中。這些通道引導軸突和樹突沿著既定路徑生長，促使細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，塑造了細胞的成熟方式。實驗室實驗證明，這些支架能夠維持細胞存活一年以上。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。

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展甚微。電記錄強化了行為學結(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)束后的詳細檢查提供了進一步的見解。大多數(shù)植入的細胞（約63%）成熟為神經(jīng)元，一部分成為少突膠質(zhì)細胞，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。研究人員強調(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胞，包括背部神經(jīng)元，以恢復感覺和運動功能，并改進支架設計，以更好地模擬脊髓的分層結(jié)構(gòu)。

脊柱修復的增材制造研究

3D打印的精確度使科學家能夠設計引導神經(jīng)生長的支架，為脊柱創(chuàng)傷后的恢復提供結(jié)構(gòu)化的途徑。最近，愛爾蘭皇家外科學院(RCSI)醫(yī)學與健康科學大學和都柏林圣三一學院的研究人員創(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)絡排列，以微調(diào)導電性。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)細胞反應性較低，小膠質(zhì)細胞未出現(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，這為脊柱修復指明了一條有希望的途徑。

此外，加州大學圣地亞哥分校醫(yī)學院和醫(yī)學工程研究所(IEM)的科學家們設計了一種快速3D打印脊髓植入物，幫助重傷大鼠恢復運動能力。微型2毫米支架僅用1.6秒就打印完成，200微米的通道可引導干細胞生長，并促進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，這標志著向人體應用邁出了重要一步。

來源：南極熊