創(chuàng)傷性脊髓損傷可導(dǎo)致脊髓神經(jīng)元的大量死亡，嚴(yán)重的會使患者完全喪失運(yùn)動和感覺功能，造成受損節(jié)段以下完全癱瘓。神經(jīng)干細(xì)胞移植一直被認(rèn)為是一種可行的脊髓損傷細(xì)胞療法，可有效補(bǔ)充受損死亡的神經(jīng)元并重建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。然而，由于移植干細(xì)胞極低的存活率和體內(nèi)分化方向不受控制等突出問題，直接將未成熟的神經(jīng)干細(xì)胞注射到損傷部位后，脊髓神經(jīng)再生和功能恢復(fù)效果并不理想。
針對脊髓損傷細(xì)胞移植療法中的痛點(diǎn)問題，材料科學(xué)與工程學(xué)院白瑩副教授團(tuán)隊提出了一種利用天然脊髓組織來源的脫細(xì)胞基質(zhì)微凝膠作為神經(jīng)干/祖細(xì)胞（Neural stem/progenitor cells, NSPCs）移植載體，通過體外預(yù)分化和微創(chuàng)原位注射方式對嚴(yán)重的脊髓挫傷疾病模型進(jìn)行細(xì)胞治療。由于該脫細(xì)胞基質(zhì)微凝膠具有脊髓組織特異性的生物活性，可在體外促進(jìn)NSPCs向神經(jīng)元分化，并在移植后通過改善脊髓損傷微環(huán)境募集內(nèi)源性干細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞移植療法與內(nèi)源性修復(fù)再生的協(xié)同作用。這種原位細(xì)胞治療方法成功提高了移植NSPCs用于脊髓損傷治療的術(shù)后效果，具有極強(qiáng)的臨床轉(zhuǎn)化潛力。
圖1. NSPC@DSCM-MGs的制備過程
首先，本研究使用自主搭建的微流控系統(tǒng)將NSPCs封裝在脊髓來源脫細(xì)胞基質(zhì)微凝膠(DSCM-MGs)中，成功獲得了負(fù)載NSPCs的脫細(xì)胞基質(zhì)微凝膠(NSPC@DSCM-MGs)，并在體外對其進(jìn)行神經(jīng)元向分化誘導(dǎo)。結(jié)果證明， NSPC@DSCM-MGs 中三維孵育的NSPCs在七天內(nèi)大部分向神經(jīng)元而非星形膠質(zhì)細(xì)胞分化。該結(jié)果同時表明基于微凝膠的三維培養(yǎng)體系，相比于傳統(tǒng)的大塊水凝膠三維培養(yǎng)，可以更加明顯地提高NSPCs向神經(jīng)元分化的效率。
圖2. NSPC@DSCM-MGs在體外預(yù)孵育可促進(jìn)NSPCs向神經(jīng)元分化
將經(jīng)誘導(dǎo)分化預(yù)孵育NSPC@DSCM-MGs產(chǎn)生的3D神經(jīng)球注射到嚴(yán)重挫傷的大鼠脊髓模型中，發(fā)現(xiàn)脫細(xì)胞基質(zhì)微凝膠可有效保護(hù)移植細(xì)胞，免受剪切損傷和病變部位炎癥微環(huán)境的損傷，顯著提高了外源性細(xì)胞的存活率。此外，NSPC@DSCM-MGs在體內(nèi)提高了移植的以及募集的內(nèi)源性NSPCs向神經(jīng)元分化的效率，有效補(bǔ)充了脊髓損傷后損失的神經(jīng)元數(shù)量，抑制了膠質(zhì)瘢痕的形成。此外，大量存活的預(yù)分化NSPC@DSCM-MGs積極調(diào)節(jié)損傷部位微環(huán)境，促進(jìn)內(nèi)源性細(xì)胞募集、軸突再生和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建，并幫助維持脊髓組織結(jié)構(gòu)的完整性，促進(jìn)了嚴(yán)重脊髓挫傷大鼠的運(yùn)動功能恢復(fù)。
圖3. 移植的NSPC@DSCM-MGs在體內(nèi)促進(jìn)軸突再生和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建
綜上所述，這種基于脫細(xì)胞基質(zhì)微凝膠載體及預(yù)孵育技術(shù)的新型干細(xì)胞移植策略，在細(xì)胞保護(hù)和細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控方面顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢，通過內(nèi)源性和外源性細(xì)胞的協(xié)同作用有效促進(jìn)受損脊髓的再生修復(fù)。該方法在組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的臨床應(yīng)用中具有極大前景，并且有希望擴(kuò)展應(yīng)用于其他疾病的治療中。
該工作于2024年6月20日以“Transplantation of Pre-Differentiated 3D Neural Spheroids in Decellularized Extracellular Matrix Microgels Promotes Neuronal Network Reconstruction and Functional Recovery after Severe Spinal Cord Contusion”為題在線發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊Advanced Functional Materials上（DOI:10.1002/adfm.202407097）。材料科學(xué)與工程學(xué)院21級碩士研究生張可鑫（排名第一）和博士后饒子龍為該論文共同第一作者，白瑩副教授為唯一通訊作者，材料科學(xué)與工程學(xué)院為論文第一單位。該研究工作受到國家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等項(xiàng)目的大力支持。
