創傷性脊髓損傷可導致脊髓組織缺損，損傷處的惡劣微環境給脊髓組織的再生以及移植細胞的存活帶來巨大挑戰。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元去替換死亡的脊髓神經元，在損傷/移植處形成神經元中繼器(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網絡組織是研究者們攻堅克難的關鍵所在。
近日，我校中山醫學院曾園山教授團隊研究揭示——基于胚胎脊髓發育生物信息學篩選出關鍵分子神經營養素-3 (NT-3)，利用緩釋技術，誘導表達其酪氨酸激酶受體C(TrkC)的神經干細胞在三維支架材料中自組織(self-organization)發育為神經網絡組織。此組織工程產品移植到脊髓全橫斷大鼠后能與宿主神經環路功能性整合。這一治療策略為構建微環境優化的干細胞源性組織工程神經網絡組織修復中樞神經損傷提供了新思路。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，IF=8.724)上在線發表了題為“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。
圖：緩釋NT-3三維微環境支持神經干細胞自組織發育為具有修復全橫斷脊髓損傷用途的神經網絡組織。A:胚胎脊髓發育的單細胞數據揭示，由神經祖細胞向神經元分化過程中，神經營養因子Ntf3(NT-3)特異表達在運動神經元中，而其受體Ntrk3(TrkC)不僅在祖細胞中表達，而且在各類神經元中廣泛表達. B:免疫電鏡顯示支架材料表面有膠體金標記的NT-3蛋白. C:示仿生脊髓形態的圓柱體緩釋支架形貌. D:示體外自組織神經網絡中神經元的動作電位. E:在這些神經元中可檢測到自發的興奮性突觸后電流. F:免疫電鏡顯示移植的神經網絡組織中少突膠質細胞形成髓鞘包裹神經纖維. G:免疫電鏡顯示移植的神經網絡組織中表達TrkC的神經元形成突觸結構. H:示意NT-3緩釋生物復合物誘導TrkC修飾的NSC源性神經網絡組織的形成，將其移植到大鼠全橫斷脊髓損傷區起到組織工程神經元中繼器作用，與宿主脊髓組織功能性整合。
在胚胎脊髓發育過程中，其神經元發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網絡組織的構建。本研究通過解析胚胎脊髓單細胞圖譜，發現NT-3及其受體TrkC在發育中的脊髓神經元發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網絡自組織形成。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富集的微環境中分化為具有成熟表型和電生理功能的神經元。重要的是，隨著培養時間增長，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(如層粘連蛋白等)在一起創造了一種獨特的生態位(ecological niche)。這樣的營養因子、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之間動態整合，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元、具有髓鞘形成潛能的少突膠質細胞、星形膠質細胞、少量干細胞和細胞外基質組成的神經網絡組織。將神經網絡組織移植到大鼠脊髓全橫斷2 毫米缺損區，可觀察到這種含有生態位的神經網絡組織在損傷/移植區能存活較長時間，維持相關細胞的分化表型，并形成突觸及髓鞘結構。此外，宿主神經纖維再生進入脊髓損傷/移植區與移植的NSC源性神經元形成突觸樣結構，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微環境和重建脊髓神經環路的需求，率先模擬胚胎發育過程中配體/受體間的誘導神經元發生機制，對種子細胞、生物活性因子、生物支架材料和組織化培養時間這四種要素進行組織工程化設計，通過優化生物材料及修飾干細胞實現精準的工程化誘導，滿足高效的組織工程化構建生物組織的需求。應用組織工程神經網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。
該論文第一作者為我校中山醫學院副研究員李戈博士，中山醫學院曾園山教授為通訊作者，曾湘研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委重大項目課題、國家重點研發計劃項目和廣東省自然科學基金博士啟動項目的資助。
論文鏈接：https://authors.elsevier.com/sd/article/S2452-199X(21)00147-X
