據2019年相關資料顯示，美國共有27萬脊髓損傷患者，我國脊髓損傷流行病學統計數據比較離散，估計SCI患者在200萬人左右。中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張智軍研究員團隊開發了新型導電神經支架，為SCI的修復提供了新策略。
脊髓損傷（SCI）是常見的創傷性疾病，常發生在30歲以下的人群中。該疾病會導致大腦和周圍器官之間的神經連接中斷，從而引發損傷節段以下的感覺和運動功能喪失，甚至產生呼吸道感染、泌尿生殖系統感染、褥瘡等併發症。
據2019年相關資料顯示，美國共有27萬脊髓損傷患者，每年的治療費用超過60億美元。我國脊髓損傷流行病學統計數據比較離散，估計SCI患者在200萬人左右。痛苦漫長的康復過程及昂貴的治療費用給SCI患者及其家庭造成了嚴重的負擔。
研究人員採用擠出式生物3D打印製備負載神經幹細胞（NSC）支架，一定程度促進了脊髓損傷的修復。但這種仿生支架仍以模擬脊髓神經束的平行排列結構為主，缺乏對於脊髓組織電生理功能的仿生，難以滿足脊髓神經電信號傳導的要求。
針對上述挑戰，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張智軍研究員團隊開發了基於甲基丙烯酰化明膠（GelMA）、甲基丙烯酰化透明質酸（HAMA）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：磺化木質素（PEDOT:LS）的新型導電神經支架，為SCI的修復提供了新策略。相關研究成果發表於Chemical Engineering Journal上，中科院蘇州納米所研究員張智軍、副研究員黃潔為通訊作者。
這種新型導電神經支架基於哪些理論基礎？採用了何種技術手段？有怎樣的應用前景？《科技導報》就此專訪了中科院蘇州納米所副研究員黃潔。
圖1 3D生物打印導電神經支架促進神經幹細胞向神經元分化及修復脊髓損傷示意圖（來源：Chemical Engineering Journal）
請您簡要介紹下生物3D打印導電神經支架這一科研成果？它突破了哪些核心難題？
黃潔：脊髓損傷是一種嚴重的中樞神經系統創傷性疾病，臨床表現為損傷段位以下局部甚至全部肢體感覺以及運動功能暫時或永久性喪失，不僅會給患者本人帶來身體和心理的嚴重傷害，還會對整個社會造成巨大的經濟負擔。其治療與康復已成為目前醫學界的一大難題。近年來，利用生物3D打印技術構建仿生支架為脊髓損傷修復提供了新的策略。然而，目前開發的仿生支架仍然以模擬脊髓結構為主，缺乏對脊髓組織電生理功能的仿生，難以滿足脊髓神經電信號傳導的要求。
針對上述挑戰，本項研究開發了基於甲基丙烯酰化明膠（GelMA）、甲基丙烯酰化透明質酸（HAMA）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：磺化木質素（PEDOT:LS）的新型導電神經支架。其中，GelMA/HAMA模擬神經系統細胞外基質，為支架提供力學支撐，也為神經幹細胞提供適宜的生長環境；PEDOT:LS的引入顯著提高了支架的導電性，達到與天然脊髓白質相當的導電率（0.60 S m-1）。通過精確調節光固化時間，這種支架顯示出與脊髓組織相似的機械性能（儲能模量≈1 KPa），並且其多孔結構與溶脹特性適合於神經幹細胞的生長。將前驅體溶液與神經幹細胞共混製備生物墨水，通過擠出式生物3D打印技術製備導電神經支架。
打印後，神經幹細胞的存活率超過90%，並且在支架內展現出良好的增殖行為。與非導電神經支架相比，導電神經支架顯著促進了神經幹細胞向神經元的分化。在此基礎上構建大鼠脊髓全橫斷損傷模型，植入的導電神經支架極大地促進了損傷部位神經元的再生，減少了膠質瘢痕的沉積，並促進了神經軸突的再生和髓鞘化，有效改善了脊髓損傷大鼠後肢運動功能。
團隊展開這一研究的初衷是什麼？這項研究用了多久完成？
黃潔：脊髓損傷修復一直是一個世界難題，主要是由於損傷後的神經元不可再生。針對這一問題，我們團隊從2017年開始利用生物3D打印技術構建了一系列仿生支架，並通過負載神經幹細胞促進損傷處神經元的再生。在研究中我們發現，電信號的傳導對於促進神經元的再生有非常重要的作用。針對這一點，我們構建了一種仿脊髓結構的神經支架，模擬脊髓組織電傳導特性，進一步提高了支架的修復效果。這項研究用了2年多時間完成。
現階段，臨床治療脊髓損傷的方式有哪些？
黃潔：目前臨床上治療脊髓損傷的主要方式是手術、藥物和康復治療。手術治療主要是進行內外減壓以及內固定，穩定脊柱，防止損傷進一步加重，為脊髓恢復創造良好的條件。藥物治療主要目的是改善損傷部位的微環境，包括抑制炎症和水腫，起到保護神經細胞的作用。目前使用比較多的藥物有：甲潑尼龍琥珀酸鈉，神經節苷脂等。康復治療主要是通過康復訓練恢復患者的肌肉力量、生活自理能力等，包括運動訓練、電刺激治療、減重步態訓練、針灸和心理干預等。
這些措施能否有效恢復患者的感覺和運動功能？
黃潔：能否恢復患者的感覺和運動功能取決於損傷的類型及程度，嚴重的脊髓損傷會導致患者終身癱瘓，難以恢復；輕微損傷在治療得當的情況下，可以恢復部分感知和運動功能。
組織工程技術的快速發展為SCI修復提供了新策略。這種仿生支架的開發最早可追溯至什麼時候？
黃潔：組織工程的概念在1987年被提出，在此後不久就有科學家使用定向排列的碳絲，誘導神經細胞的定向生長，用於治療脊髓損傷大鼠。2000年以來，組織工程技術被廣泛用於脊髓損傷修復的研究。
截止目前，已開發出多少種類型？
黃潔：目前，神經支架根據其功能，可以分為幾類：為受損組織提供力學支撐的神經支架、誘導內源性細胞定向生長的神經支架、負載外源性神經幹細胞替代壞死神經細胞的神經支架、負載神經因子和藥物促進細胞生長改善損傷部位微環境的神經支架、促進電信號傳導的神經支架、促進損傷部位血管化的神經支架等。
目前已有多少種仿生神經支架投入到臨床治療當中？
黃潔：目前，全球有十餘項臨床試驗在進行中，例如戴建武研究員團隊研發的NeuroRegenScaffoldTM，他們的臨床實驗結果表明，植入支架不會對人體產生不良癥狀，對於感覺功能恢復有一定作用。
與其他基於傳統組織工程方法的支架相比，團隊此次研發的生物3D打印導電神經支架的最大優勢是什麼？
黃潔：天然脊髓組織在外形結構以及細胞分佈具有一定的空間順序，而且在神經元之間有電信號傳遞。與傳統的組織工程支架相比，我們此次研發的生物3D打印導電神經支架一方面能準確控制細胞和材料的空間排布，模擬脊髓的仿生三維結構，另一方面能恢復脊髓神經電信號的傳導。兩者結合誘導損傷處神經元的分化，提高脊髓損傷大鼠的治療效果。
圖2 SCI大鼠經導電神經支架治療後運動功能恢復情況。圖A為BBB評分；圖B為術後第8周SCI大鼠的斜面測試結果；圖C為術後8周SCI大鼠的後肢伸展狀態。（來源：Chemical Engineering Journal）
與團隊此前採用擠出式生物3D打印製備的負載神經幹細胞（NSC）的支架相比，基於新型導電水凝膠的新一代支架有些優勢和劣勢分別是什麼？
黃潔：相較於此前開發的支架，此次開發的導電神經支架主要優勢是賦予了支架與脊髓組織匹配的導電性。導電支架有利於神經電信號傳導功能的恢復，從而能進一步促進神經幹細胞向神經元的分化。其劣勢主要在於該導電神經支架是通過光交聯固化而成，而藍光照射可能會對神經幹細胞的活力造成一定影響。
關於此次的研發成果，您認為是否還有值得優化的地方？
黃潔：在支架構建上，可以考慮開發多功能生物3D打印支架，例如負載多種藥物與神經因子等，促進脊髓損傷修復。此外，也可以更深入探討脊髓損傷修復的作用機制，例如導電神經支架對神經電信號的傳導機制等。
在研究過程中，團隊是否經歷了一些困難？又是如何克服的？
黃潔：神經幹細胞是一類極為敏感且脆弱的細胞，因此對於材料的設計，支架的打印過程都提出了很高的要求。導電神經支架的設計要兼顧多方面的功能：具有與脊髓組織相匹配的力學強度、導電性；多孔結構適宜神經幹細胞生長；良好的生物相容性、可降解性、可打印性等。還要滿足打印過程中支架穩定不坍塌，打印後細胞存活率高等條件。
在整個研究過程中，我們也是一點點摸索，結合前期的工作基礎，一方面從已有的研究中找尋靈感，另一方面也不斷嘗試，優化材料的種類和配比，摸索打印參數、條件等，在實踐中尋找解決問題的方法。
您可否談談這種生物3D打印導電神經支架的應用前景如何？預計何時能夠大規模應用於臨床治療？
黃潔：在本項研究中使用了SD大鼠作為動物模型，取得了較好的治療效果。然而，在開展臨床治療前，還需要選擇更多大動物，如比格犬、猴子等進行實驗，以驗證其安全性和有效性。
脊髓損傷修復是世界性的醫學難題，需要大量的科研團隊、醫療機構、醫療管理部門等通力合作，才有可能將一種新型治療方法推廣到臨床。該技術大規模用於臨床治療還需要很長的路要走。
圖3 導電神經支架植入促進髓鞘再生（脊髓縱向切片的免疫熒光染色示意圖）Olig2（A）和MBP（B）的免疫熒光染色情況及Olig2（C）和MBP（D）的定量分析。（來源：Chemical Engineering Journal）
您認為現階段阻礙該成果的推廣應用的問題包括哪些？
黃潔：現階段阻礙該成果的推廣應用的主要問題包括：1、支架在大動物體內的長期安全性和穩定性，還需要長期研究和大量實驗的支持；2、導電支架在體內對神經信號傳導的作用機制尚不清楚，仍需要進行深入研究。
您可否談談團隊下一階段的研究計劃與目標是什麼？
黃潔：團隊下一階段的研究工作將從3個方面展開：1、支架在大動物體內的安全性和有效性研究；2、支架用於其他電活性組織修復的研究，如腦、周圍神經、心肌、皮膚等；3、導電支架在體內作用機制的進一步研究。
黃潔，中科院蘇州納米所副研究員，納米生物醫學部副主任。畢業於蘇州大學材料與化學化工學部，博士研究生。近年來主要從事新型高分子水凝膠的研製及其在幹細胞再生醫學中的應用；各種納米材料的設計、合成，及其在幹細胞示蹤及腫瘤成像方面的應用。以第一作者或通訊作者身份在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Biomaterials、Small等期刊上發表論文20餘篇。
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