来源: EngineeringForLife
脊髓损伤是一种严重的中枢神经系统疾病，全球每年新增病例超过50万例。由于神经回路重建困难以及病灶区周围恶劣的组织微环境，通常导致患者的不良预后。目前，手术清创减压以及激素疗法是临床上的常用手段，但该方案无益于重建受损的神经回路。近些年的临床前研究已经开发出多种人工脊髓，然而，如何提高细胞移植物的活性和负载效率，如何规避干细胞在安全性和伦理性上的风险，如何简化细胞接种过程以及制造标准化的水凝胶支架，从而开发一种更加符合临床应用场景的人工脊髓组织，一直是该领域亟待解决的问题。
近期，浙江大学生命科学学院余路阳教授团队与浙江大学机械工程学院贺永教授团队合作，围绕构建适合临床转化应用的人工脊髓这一科学问题，基于高精度光固化3D打印水凝胶支架以及人羊膜上皮干细胞（hAESCs）这类新型围产期干细胞，同时开发新型后处理工艺，实现了水凝胶支架对于细胞移植物的自促进吸收，极大简化了细胞接种过程的操作难度，提高了细胞的负载量以及递送效率。并发挥人羊膜上皮干细胞在免疫调节以及神经营养上的功能，在大鼠脊髓损伤模型的修复中展现出较高的临床转化和应用潜力。相关工作“A 3D-Printed Dual Driving Forces Scaffold with Self-Promoted Cell Absorption for Spinal Cord Injury Repair”发表于《Advanced Science》杂志。
图1 具有自促进吸附能力的脊髓支架的设计和制造思路
1. 开发双驱动力模型及后处理工艺
随着3D打印技术的不断发展，产生了越来越多具有复杂结构的支架产品。然而，由于重力以及支架内部复杂结构所带来的高流阻特性，使得常规细胞接种方法无法获得令人满意的支架表面利用率以及细胞的均匀分布。对于载细胞打印而言，不可避免的会对细胞活性以及状态造成影响。因此，作者提出了分离支架制造与细胞接种过程，开发新型后处理工艺的思路。
通过组合烘干干燥和冷冻干燥各自的优点，作者开发了一种具有宏观+微观吸收力的后处理方法，并解释了其作用机理。具体来说，水凝胶支架中75%的水分通过烘干干燥去除后，支架的宏观体积会大大缩小，从而能够在复水过程中给予细胞最大的吸收力；而剩余水分将利用冷冻干燥方法去除，从而使得支架遍布相互连通的微小空隙，各个方向的毛细作用能够克服重力影响，使细胞能够贴附在各方向的支架表面。结果显示，经过该方法处理后的水凝胶支架（HES）不仅具有良好的亲水性和吸水速度，而且具有最大的体积膨胀程度，有利于细胞的吸附及负载。
图2 双驱动力吸收模型的开发
2. 高效hAESCs递送系统的开发
在双驱动力模型基础上，作者进一步检测了HES支架负载细胞的能力。得益于HES支架强大的吸附能力，使得整个细胞吸收过程能够在2分钟内完成，因此，作者展示了高载量HES-hAESCs输送系统的实际操作过程。便利且标准化的操作过程有利于后续临床前以及未来临床转化。荧光结果显示，细胞实现了在HES支架上的均匀分布，且细胞能够贴附到支架内部各个方向的表面。定量结果显示，HES支架的细胞负载能力极大提高，最终的细胞密度可达到5 × 104 cells/mm3.
图3 高载量和均匀分布的HES-hAESCs输送系统
3. HES-hAESCs脊髓支架改善大鼠模型的后肢运动功能
接下来作者在大鼠脊髓损伤模型中探究HES-hAESCs脊髓支架的治疗效果。结果显示，移植8周后大鼠的后肢运动功能明显改善，表现为后肢出现连续性的负重行走。电生理数据显示，后肢肌肉电位恢复明显，电信号振幅明显增强，可恢复至正常大鼠的40%以上；另外，电信号延时明显缩短，提示移植HES-hAESCs脊髓支架能够明显增强病灶区内下行运动神经回路的重建。
图4 HES-hAESCs改善大鼠后肢运动功能
4. HES-hAESCs脊髓支架促进受损的神经回路重建
随后，作者进一步检测脊髓支架对于病灶区内神经纤维的恢复作用。结果显示，HES-hAESCs支架明显增强病灶区内神经纤维的延伸生长以及成熟程度，hAESCs的存在显著提高了支架微孔道内的神经纤维数量，部分神经纤维表达特定亚型神经元标志物，与行为学检测结果相一致。另外，扫描电镜结果显示，HES-hAESCs组大鼠病灶区内部神经纤维的髓鞘化程度明显提高，提示脊髓支架的存在能够促进神经回路的重建以及进一步成熟。
图5 HES-hAESCs促进病灶区内神经纤维生长和髓鞘形成
综上所述，双驱动力吸附模型为水凝胶支架实现自促进的细胞接种吸收提供了新的方法与原理，HES支架作为一个强大的细胞递送工具，为以hAESCs为代表的临床级干细胞治疗提供了新方法，具有极大的临床转化应用潜力。
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