AFM：3D打印多尺度支架协同干细胞治疗外周神经损伤

108 Peripheral Nerve Regeneration with 3D Printed Bionic Scaffolds Loading Neura.pdf

【摘要】周围神经损伤是最常见的一种神经系统创伤。治疗周围神经损伤需要调节并改善伤口处的微环境，来促进轴突再生从而使断端神经修复。在神经修复过程中，施旺细胞起到关键性作用并被广泛应用，然而自体移植施旺细胞会引起供区并发症而受限。神经嵴干细胞是一种极具潜力的周围神经修复细胞，能分化成周围神经系统的各种细胞，并已被证明能够分化成类施旺细胞，促进轴突髓鞘化，保护并诱导轴突再生。然而，单纯的细胞疗法无法很好模拟天然坐骨神经环境，且细胞活性和伤口留存率也会大大降低治疗效率。

浙大转化医学研究院陈伟教授与EFL团队合作，利用高精度近场直写打印的仿生支架载神经嵴干细胞的策略，实现坐骨神经损伤修复。我们设计了高孔隙率，高比表面积，兼顾力学支撑及细胞尺度定向结构的多尺度支架结构，负载神经嵴干细胞诱导而来的施旺祖细胞，实验表明支架+细胞的组合展现出优异的修复效果。此外，该多尺度支架采用可用于临床的聚已内酯材料通过近场直写工艺打印而成，未做额外的材料修饰，通过纯结构调控获得优异的生物学活性，我们认为借助3D打印手段赋予目前已进入临床材料更优异的性能会是医疗器械的一个重要发展方向。

相关工作“Peripheral Nerve Regeneration with 3D Printed Bionic Scaffolds Loading Neural Crest Stem Cell Derived Schwann Cell Progenitors”发表在Advanced Functional Materials期刊上，转化医学研究院李颖，机械工程学院吕尚及浙大转化医学研究院袁绘普博士生为共同第一作者，机械学院的贺永、转化院的陈伟教授为共同通讯作者。

图1. 移植修复流程

（支架+细胞修复大鼠坐骨神经流程，首先，从小鼠胚胎神经管中提取神经嵴干细胞，经过纯化和增殖之后，移植上支架并体外诱导分化成施旺祖细胞。随后，利用卷膜工艺将负载细胞支架卷成圆柱状，并整体移植进入坐骨神经断端处进行修复。）

图2. 近场直写支架设计及优势

（近场直写支架的设计理念及其优势，在该支架中，为了诱导神经细胞的定向生长及轴突再生，我们在神经方向上排布了支架10微米的定向诱导超细纤维，间距100微米。在垂直于神经的方向上，我们设置了支架60微米的粗纤维，用于支撑起整个支架，维持形貌，且为了避免该方向的纤维影响细胞的定向，粗纤维的间距设置为500微米。支架整体拥有适宜的孔径和比表面积，有利于物质交换和大量的细胞负载，能够大大提高修复效率。不同于其他支架制造方法，例如静电纺丝，光固化打印以及挤出式3D打印，无法兼顾可控性和精度，近场直接打印能够制造出直径从几微米至几百微米的纤维，并且结构高度可控，能够实现神经细胞的定向生长及调控。）

图3. 神经嵴干细胞形态及免疫荧光染色

为了研究神经嵴干细胞的神经修复能力，首先需要提取神经嵴干细胞。根据细胞形态和行为特征初步选定，再经过增殖和纯化，获得可用的神经嵴干细胞，右图为所提细胞神经干细胞相关蛋白的免疫荧光染色，表明所提细胞为高纯度的神经嵴干细胞。

图4. 体外将神经嵴干细胞分化为施旺细胞

随后，为了证明所提去神经嵴干细胞拥有体外分化为施旺细胞的能力，我们对所提细胞进行了体外定向诱导分化。图4表明，经过诱导的神经干细胞形态变得细长，且特异性蛋白染色表明已经分化为施旺细胞。

图5. 背根神经节神经元细胞与神经干细胞源施旺细胞共培养后轴突髓鞘化

为了证明上述神经干细胞源施旺细胞使得周围神经轴突髓鞘化的能力，我们将其与背根神经节神经元细胞共培养。免疫荧光结果显示，神经干细胞源施旺细胞能够建立髓鞘。

图6. 近场直写支架形貌及神经干细胞在支架上生长情况

图6为近场直写支架的相关表针，包括支架整体形貌图，电镜图及神经干细胞在支架上生长的情况。结果表明，支架能够诱导细胞定向生长。

图7. 不同组坐骨神经修复情况

图7AB展示了在支架+细胞组中5周后外源性EGFP⁺细胞的黏附情况。图7C展现了不同组别（正常组10周，空白组10周，细胞组10周，支架组10周，支架+细胞组10周，支架+细胞组6个月）的再生坐骨神经情况，结果显示支架+细胞组的修复情况最好。

图8. 再生神经纤维组织学图片，电镜图片及相关量化评估

图8为术后10周不同组别组织学染色图片及透射电镜图片，用于观察髓鞘再生情况。

图9. 腓肠肌形貌及组织组织学评估

图9为术后10周腓肠肌的形貌及组织学评估。图9C-D对腓肠肌湿重恢复比，肌纤维截面积恢复比及腓肠肌胶原纤维比进行了量化的评估。

图10. 术后大鼠功能恢复检测

最后，我们给对术后10周的大鼠进行了功能恢复测试。分别测试了老鼠的电生理和足迹步态，并最终利用坐骨神经功能指数（SFI）定量评估了老鼠的功能恢复程度。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010215