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3D打印植入物促进神经细胞生长以治疗脊髓损伤
2019-02-11 16:02
来源:科技部
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  一个3D打印的两毫米(比一美分硬币稍微厚一些)的植入物被用作修复大鼠脊髓损伤的支架。

  围绕在H型中心的圆点是空心的入口,植入的神经干细胞通过这个入口将轴突伸展至宿主组织。

  图片来源: Jacob Koffler and Wei Zhu, UC San Diego

  近日,美国加州大学圣迭戈分校医学院和医学工程研究所的研究人员首次通过快速打印技术制造出一个脊椎,然后将其成功植入大鼠脊髓严重受伤的位置,利用其作为装载了神经干细胞的支架。

  这项研究近日发表在Nature Medicine上,该研究描述的植入物用于促进脊髓受伤部位的神经生长,修复神经连接和失去的功能。在大鼠模型中,这些支架支持组织再生、干细胞生存以及神经干细胞轴突从支架至扩展至宿主的脊髓。

  研究通讯作者、转化神经科学研究所的负责人,神经科学教授Mark Tuszynski博士说:“近年来,我们逐渐向脊髓受损轴突的远距离大量再生目标靠近,这是生理功能真正恢复的基础。轴突是神经细胞上的长而丝状的延伸,它能够连接到其他的细胞。”

  该研究的共同第一作者、Tuszynski实验室的助理项目科学家Kobi Koffler博士说:“这项新研究使我们距离目标实现更近一步,因为3D支架包含脊髓中细长的、成束的轴突阵列。它有助于组织轴突再生,以复制受损前的脊髓解剖结构。”

  共同通讯作者、纳米工程教授Shaochen Chen博士及其同事利用快速3D打印技术创建了一个模拟中枢神经系统结构的支架。

  Chen说:“这个支架就像一座桥,它将脊髓损伤一端的再生轴突与另一端对齐。轴突自身可以向任何方向扩散和再生,但是支架使轴突保持有序,引导它们朝正确的方向生长,以完成脊髓连接。”

  更快更精确地打印

  植入物包含数十个微小的、200微米宽的通道(人类头发宽度的两倍),可以引导神经干细胞和轴突沿着脊髓损伤的长度生长。Chen的团队使用的打印技术能够在1.6秒内生成两毫米大小的植入物。而传统的喷嘴打印机即使打印更简单的结构也要花费几个小时。

  该过程可根据人体脊髓的大小进行调整。作为概念验证,研究人员打印出根据人体脊髓损伤的MRI扫描建模的4厘米的植入物。这些植入物的打印在10分钟内完成。

  Chen团队中的纳米博士后研究员Wei Zhu博士说:“这表明了我们3D打印技术的灵活性。我们可以快速打印出能够匹配脊髓受损位置的植入物,无论这个位置的大小和形状是什么样。”

  修复受损的连接

  研究人员将装载有神经干细胞的两毫米植入移植到大鼠严重受损的脊髓位置。几个月后,新的脊髓组织在受伤位置完全再生,并与分离的脊髓端连接起来。接受治疗的大鼠的后腿功能性运动得到显著改善。

  Koffler说:“这对于进行临床试验修复受损脊髓是另一个关键步骤。该支架提供了一种稳定的物理结构,它能够支持神经干细胞的持续植入和存活。它似乎可以防止移植的神经干细胞受到脊髓受伤时产生的毒性炎症环境的影响,并指引轴突完全穿过病变部位。”

  此外,接受治疗大鼠的循环系统已经穿透植入物内部以形成功能性的血管网络,这有助于神经干细胞存活。

  Zhu说:“血管化是工程组织植入物长期存在于体内的主要障碍之一。3D打印组织需要血管系统才能获得足够的营养并排出废物。我们曾经研究过3D打印的血管网络,但并没有在该研究中采用这种方法。因为我们的3D打印支架具备良好的生物兼容性,所以生物学自然地帮我们解决了这个问题。”

  这一进展标志着加州大学圣迭戈分校医学院和雅各布工程学院的两项长期研究的交集取得了稳步的渐进式的进展。科学家们正在调整这项技术并测试更大的动物模型,为潜在的人体测试做准备。接下来的工作包括将蛋白质掺入到脊髓支架中,以进一步促进干细胞的生存和轴突生长。

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41591-018-0296-z


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