3D生物打印超分子水凝胶支架释放O-GlcNAc转移酶抑制剂OSMI-4促进神经干细胞分化用于脊髓损伤修复研究获进展
2022-09-06
脊髓损伤（SCI）作为一种严重的中枢神经系统创伤性疾病，其临床症状表现为脊髓损伤段位以下局部甚至全部肢体感觉以及运动功能暂时或永久性丧失。脊髓损伤后发生一系列反应，如神经细胞大量死亡、缺血、炎症反应以及胶质瘢痕的形成，导致其临床治疗面临巨大挑战。
近年来生物3D打印技术的快速发展为脊髓损伤修复提供了新的策略。将生物材料、细胞以及生物活性因子等组成的生物墨水进行活细胞打印，通过精确调控生物墨水中各组分比例以及打印条件，可以更好地模拟组织或器官的力学性能、生理结构和生物功能，从而实现组织/器官的快速精准制造与损伤修复。针对神经干细胞（NSCs）的敏感性以及脆弱性，张智军课题组创新性开发了新型3D打印墨水，通过“一步法”生物3D打印实现了负载NSCs的脊髓仿生支架的构建，支架内的NSCs可在体内实现长达12周的存活，并形成相应的神经纤维，显著改善了SCI大鼠后肢运动能力（Biomaterials 2021, 272, 120771）。然而，在SCI的病理微环境中，NSCs分化为神经元的效率过低，难以实现高效率的神经再生。
针对上述挑战，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张智军研究团队通过生物3D打印技术构建一种脊髓样结构的神经支架负载N-乙酰氨基葡萄糖转移酶抑制剂OSMI-4，高效诱导神经元的分化，促进脊髓损伤修复。为了实现这一目的，该团队开发了一种由甲基丙烯酸明胶（GelMA）和丙烯酸β-环糊精（Ac-β-CD）组成的超分子生物墨水（SM生物墨水），同时实现负载NSCs的生物3D打印以及对疏水小分子OSMI-4的负载与缓释（图1）。该SM生物墨水通过精准的光固化（405 nm）可实现与脊髓组织相似的力学性能（储能模量≈1 KPa），同时GelMA 与Ac-β-CD之间的“主-客”体反应赋予了水凝胶支架良好的自愈性能，有利于在体内动态环境中保持支架结构的稳定性。更重要的是，Ac-β-CD的空腔结构能够有效负载疏水性小分子OSMI-4，发挥药物缓释作用。在水凝胶构建的基础上，该研究首次探讨O-GlcNAc转移酶（OGT）抑制剂OSMI-4对于NSCs的诱导作用，实验结果表明，SM水凝胶能够有效负载并缓释OSMI-4，显著提高了NSCs的神经元分化效率，与此同时，由于SM水凝胶中较弱的主-客体络合作用能够提升NSCs与支架间相互作用力，在支架内部形成丰富的神经突起。在小分子诱导以及支架微环境的双重调控下，NSCs能够更好的向神经元分化，在支架内部形成神经网络。通过对OSMI-4诱导机制的研究，发现OSMI-4作为OGT抑制剂，能够增强Notch通路中相应受体的泛素化降解，从而抑制Notch通路的激活，定向调节NSCs的神经元分化。将负载NSCs以及OSMI-4的SM生物墨水打印成具有脊髓仿生结构的神经支架并移植到SCI大鼠体内，动物实验结果表明该支架中负载的NSCs在OSMI-4的诱导下，能够在脊髓损伤处形成更多的神经纤维，实现轴突再生，显著改善了SCI大鼠后肢运动功能。该工作为生物3D打印构建功能性神经支架用于脊髓损伤修复等再生医学领域提供了一种新的策略。
相关研究成果以“Release of O-GlcNAc transferase inhibitor promotes neuronal differentiation of neural stem cells in 3D bioprinted supramolecular hydrogel scaffold for spinal cord injury repair”为题，近期发表在国际学术期刊Acta Biomaterialia上。中科院苏州纳米所博士生刘晓云为第一作者，张智军研究员与黄洁副研究员为共同通讯作者。该工作得到中科院战略性先导科技专项和国家自然科学基金等项目的支持。
图1 生物3D打印仿脊髓结构神经支架用于脊髓损伤修复示意图。
论文信息
Liu, X. Y.; Song, S. S.; Chen, Z. J.; Gao, C.; Li, Y. X.; Luo, Y.; Huang, J.;*, Zhang, Z. J.* Release of O-GlcNAc transferase inhibitor promotes neuronal differentiation of neural stem cells in 3D bioprinted supramolecular hydrogel scaffold for spinal cord injury repair, Acta Biomater. DIO： 10.1016/j.actbio.2022.08.031.
