創(chuàng)傷性脊髓損傷可導致脊髓組織缺損，損傷處的惡劣微環(huán)境給脊髓組織的再生以及移植細胞的存活帶來巨大挑戰(zhàn)。從在脊髓損傷處移植胚胎脊髓組織起至今近三十多年來，通過其中的胚胎脊髓神經(jīng)元去替換死亡的脊髓神經(jīng)元，在損傷/移植處形成神經(jīng)元中繼器(neuronal relay)修復脊髓損傷的理念逐漸形成，并得到了驗證。然而，胚胎脊髓組織移植受到倫理學限制、移植物不易獲取等多方限制，不符合臨床轉化的要求。如何有效地在體外應用細胞因子、生物材料和干細胞等組織工程新技術構建類似胚胎脊髓的神經(jīng)網(wǎng)絡組織是研究者們攻堅克難的關鍵所在。

近日，中山大學中山醫(yī)學院曾園山教授團隊研究揭示——基于胚胎脊髓發(fā)育生物信息學篩選出關鍵分子神經(jīng)營養(yǎng)素-3 (NT-3)，利用緩釋技術，誘導表達其酪氨酸激酶受體C(TrkC)的神經(jīng)干細胞在三維支架材料中自組織(self-organization)發(fā)育為神經(jīng)網(wǎng)絡組織。此組織工程產(chǎn)品移植到脊髓全橫斷大鼠后能與宿主神經(jīng)環(huán)路功能性整合。這一治療策略為構建微環(huán)境優(yōu)化的干細胞源性組織工程神經(jīng)網(wǎng)絡組織修復中樞神經(jīng)損傷提供了新思路。2021年4月8日，曾園山教授團隊在國際TOP期刊Bioactive Materials (中科院一區(qū)，IF=8.724)上在線發(fā)表了題為“An NT-3-releasing bioscaffold supports the formation of TrkC-modified neural stem cell-derived neural network tissue with efficacy in repairing spinal cord injury”的研究成果。

在胚胎脊髓發(fā)育過程中，其神經(jīng)元發(fā)生的機制涉及特定配體和受體之間相互作用，這有助于指導用于移植修復全橫斷脊髓損傷結構和功能的組織工程神經(jīng)網(wǎng)絡組織的構建。本研究通過解析胚胎脊髓單細胞圖譜，發(fā)現(xiàn)NT-3及其受體TrkC在發(fā)育中的脊髓神經(jīng)元發(fā)生及其成熟過程中起重要作用。隨后，設計了一種配體-受體反應性的方法來促進神經(jīng)網(wǎng)絡自組織形成。通過將TrkC高表達的NSCs種植于NT-3釋放三維支架中，使其在NT-3富集的微環(huán)境中分化為具有成熟表型和電生理功能的神經(jīng)元。重要的是，隨著培養(yǎng)時間增長，外源性NT-3與來自干細胞自分泌的生長因子和細胞外基質(zhì)(如層粘連蛋白等)在一起創(chuàng)造了一種獨特的生態(tài)位(ecological niche)。這樣的營養(yǎng)因子、干細胞自分泌的生長因子以及沉積在支架上的細胞外基質(zhì)之間動態(tài)整合，促使組織樣組裝，最終形成具有傳遞興奮性信息功能的神經(jīng)元、具有髓鞘形成潛能的少突膠質(zhì)細胞、星形膠質(zhì)細胞、少量干細胞和細胞外基質(zhì)組成的神經(jīng)網(wǎng)絡組織。將神經(jīng)網(wǎng)絡組織移植到大鼠脊髓全橫斷2 毫米缺損區(qū)，可觀察到這種含有生態(tài)位的神經(jīng)網(wǎng)絡組織在損傷/移植區(qū)能存活較長時間，維持相關細胞的分化表型，并形成突觸及髓鞘結構。此外，宿主神經(jīng)纖維再生進入脊髓損傷/移植區(qū)與移植的NSC源性神經(jīng)元形成突觸樣結構，促進大鼠癱瘓后肢運動功能的改善。

本研究聚焦于改善脊髓損傷區(qū)微環(huán)境和重建脊髓神經(jīng)環(huán)路的需求，率先模擬胚胎發(fā)育過程中配體/受體間的誘導神經(jīng)元發(fā)生機制，對種子細胞、生物活性因子、生物支架材料和組織化培養(yǎng)時間這四種要素進行組織工程化設計，通過優(yōu)化生物材料及修飾干細胞實現(xiàn)精準的工程化誘導，滿足高效的組織工程化構建生物組織的需求。應用組織工程神經(jīng)網(wǎng)絡組織移植還可以避免采用干細胞直接移植在脊髓損傷區(qū)的分化不確定性、異常增殖和異位遷移的風險，為脊髓損傷修復提供了新的治療方案。(生物谷Bioon.com）