关于缓释NT-3三维微环境支持神经干细胞自组织发育为具有修复用途的神经网络组织的研究在Bioactive Materials发表
创伤性脊髓损伤可导致脊髓组织缺损，损伤处的恶劣微环境给脊髓组织的再生以及移植细胞的存活带来巨大挑战。从在脊髓损伤处移植胚胎脊髓组织起至今近三十多年来，通过其中的胚胎脊髓神经元去替换死亡的脊髓神经元，在损伤/移植处形成神经元中继器(neuronal relay)修复脊髓损伤的理念逐渐形成，并得到了验证。然而，胚胎脊髓组织移植受到伦理学限制、移植物不易获取等多方限制，不符合临床转化的要求。如何有效地在体外应用细胞因子、生物材料和干细胞等组织工程新技术构建类似胚胎脊髓的神经网络组织是研究者们攻坚克难的关键所在。
近日，中山大学中山医学院曾园山教授团队研究揭示——基于胚胎脊髓发育生物信息学筛选出关键分子神经营养素-3 (NT-3)，利用缓释技术，诱导表达其酪氨酸激酶受体C(TrkC)的神经干细胞在三维支架材料中自组织(self-organization)发育为神经网络组织。此组织工程产品移植到脊髓全横断大鼠后能与宿主神经环路功能性整合。这一治疗策略为构建微环境优化的干细胞源性组织工程神经网络组织修复中枢神经损伤提供了新思路。2021年4月8日，曾园山教授团队在国际TOP期刊Bioactive Materials (中科院一区，IF=8.724)上在线发表了题为“An NT-3-releasing bioscaffold supports the formation of TrkC-modified neural stem cell-derived neural network tissue with efficacy in repairing spinal cord injury”的研究成果。
在胚胎脊髓发育过程中，其神经元发生的机制涉及特定配体和受体之间相互作用，这有助于指导用于移植修复全横断脊髓损伤结构和功能的组织工程神经网络组织的构建。本研究通过解析胚胎脊髓单细胞图谱，发现NT-3及其受体TrkC在发育中的脊髓神经元发生及其成熟过程中起重要作用。随后，设计了一种配体-受体反应性的方法来促进神经网络自组织形成。通过将TrkC高表达的NSCs种植于NT-3释放三维支架中，使其在NT-3富集的微环境中分化为具有成熟表型和电生理功能的神经元。重要的是，随着培养时间增长，外源性NT-3与来自干细胞自分泌的生长因子和细胞外基质(如层粘连蛋白等)在一起创造了一种独特的生态位(ecological niche)。这样的营养因子、干细胞自分泌的生长因子以及沉积在支架上的细胞外基质之间动态整合，促使组织样组装，最终形成具有传递兴奋性信息功能的神经元、具有髓鞘形成潜能的少突胶质细胞、星形胶质细胞、少量干细胞和细胞外基质组成的神经网络组织。将神经网络组织移植到大鼠脊髓全横断2 毫米缺损区，可观察到这种含有生态位的神经网络组织在损伤/移植区能存活较长时间，维持相关细胞的分化表型，并形成突触及髓鞘结构。此外，宿主神经纤维再生进入脊髓损伤/移植区与移植的NSC源性神经元形成突触样结构，促进大鼠瘫痪后肢运动功能的改善。
本研究聚焦于改善脊髓损伤区微环境和重建脊髓神经环路的需求，率先模拟胚胎发育过程中配体/受体间的诱导神经元发生机制，对种子细胞、生物活性因子、生物支架材料和组织化培养时间这四种要素进行组织工程化设计，通过优化生物材料及修饰干细胞实现精准的工程化诱导，满足高效的组织工程化构建生物组织的需求。应用组织工程神经网络组织移植还可以避免采用干细胞直接移植在脊髓损伤区的分化不确定性、异常增殖和异位迁移的风险，为脊髓损伤修复提供了新的治疗方案。