生物3D打印导电水凝胶支架调控神经干细胞定向分化研究取得进展

2022-01-09

       神经干细胞（Neural stem cell, NSC）作为一类多能干细胞，能够分化为神经元、胶质细胞等多种神经细胞，对于神经损伤性或退行性疾病而言，移植神经干细胞至病灶部位可以实现缺损神经组织的再生连接。因此，神经干细胞移植被视为最具潜力的神经系统疾病临床治疗方案之一。但移植后的神经干细胞在体内暴露于病灶部位险恶的微环境之中，因此呈现出较低的存活率，同时难以专一地向神经元分化，因而极大地限制了移植神经干细胞的治疗效果。

       组织工程学的发展为NSC移植提供了一种可行的策略，即利用具有良好的生物安全性和一定的生物功能性的支架负载神经干细胞进入病灶部位，支架为NSC的生长、黏附及分化提供适宜的微环境，从而提高移植神经干细胞的体内存活率。其中，生物3D打印因其可以实现高精度、个性化的细胞和生物材料一体化快速制造，而被视作最理想的神经组织工程支架制备工艺之一。但是，传统的电绝缘的3D打印支架很难完全满足神经干细胞生长及定向分化对细胞-支架间神经电信号传导的要求。

       基于此，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张智军研究员团队利用细胞负载的微挤出式生物3D打印技术，构建了负载神经干细胞的三维导电水凝胶支架，实现了支架内神经干细胞向神经元的定向分化（图1）。该工作首先以天然高分子硫酸软骨素为合成模板，以单宁酸为掺杂剂，通过原位聚合的方式，合成了一种水溶性的导电聚合物（PEDOT:CSMA,TA，图2），将其与明胶甲基丙烯酸酯(GelMA)/聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)前驱体溶液复合，制备了一种具有良好生物安全性、较高导电性及合适力学强度的导电水凝胶生物墨水，利用明胶物理性凝胶的自愈合特性，实现了负载神经干细胞的导电水凝胶支架的3D打印。打印支架具有很高的形状保真度，并且在体外培养过程中保持规则的形状。打印后的神经干细胞在支架内部呈现出高存活率（接近100%），沿着支架微丝边缘黏附生长（图3）。更重要的是，导电聚合物的掺杂，显著提高了支架内部神经干细胞向神经元的分化效率，同时抑制了其向星形胶质细胞的分化，并伴随着神经突起的延伸，从而有利于导电水凝胶支架内部神经元网络的形成（图4）。

     上述工作为仿生神经组织的快速、精准构建及其再生医学应用提供了一种新的策略。相关研究成果以“Neural stem cell-laden 3D bioprinting of polyphenol-doped electroconductive hydrogel scaffolds for enhanced neuronal differentiation”为题近期在线发表于国际学术期刊《Materials Science & Engineering C》上，中科院苏州纳米所博士研究生宋少帅为论文第一作者，张智军研究员和黄洁副研究员为共同通讯作者。研究工作得到了中科院战略性先导专项（XDA16020100）、科技部国家重点研发计划（2016YFC1000809）及国家自然科学基金（81801769）等项目的资助。

原文链接：

Song, S. S.; Liu, X. Y.; Huang, J.*; Zhang, Z. J.* Neural stem cell-laden 3D bioprinting of polyphenol-doped electroconductive hydrogel scaffolds for enhanced neuronal differentiation, Materials Science & Engineering C, 2021, published online, https://doi.org/10.1016/j.msec.2021.112639.

图1 导电水凝胶生物墨水的制备（左）及支架的生物3D打印（右）流程示意图。

图2 (A) 导电聚合物的化学结构；(B-D) 导电聚合物的理化性质表征。

图3 (A) 负载细胞3D打印所制备的导电水凝胶支架内部神经干细胞活死染色荧光图像；(B) 打印后神经干细胞存活率；(C) 打印支架内部神经干细胞增殖行为。

图4 (A) 导电水凝胶支架内部神经干细胞向神经元及星形胶质细胞分化的免疫荧光染色图像；(B) 支架内部神经干细胞分化行为的定量统计结果; (C) 支架内部神经干细胞分化神经元的神经突起长度的定量统计结果。