SPJ｜BMEF综述：神经科学中组织工程的应用与展望
Editor's Note
BME Frontiers是Science合作期刊（Science Partner Journal, SPJ），由Science/AAAS与中科院苏州生物医学工程技术研究所进行合作。
The following article is from 生物医学工程前沿 Author BMEF编辑部
https://spj.science.org/doi/10.34133/bmef.0007
近日，浙江大学顾臻教授团队在Science合作刊BMEF 上发表题为“Tissue Engineering in Neuroscience: Applications and Perspectives ”的综述文章。
神经系统包括中枢神经系统和外周神经系统，由复杂的神经网络组成，通过信号传输协调身体众多部位的动作，同时帮助身体感知和应对外部变化。神经系统损伤会破坏脑组织和目标组织之间的交流，导致功能丧失。目前手术、药物、细胞治疗、外泌体和组织工程（Tissue Engineering，TE）支架等是治疗神经损伤最常用的方法，其中，组织工程和再生医学的发展应用超越了传统治疗的局限性（图1）。本综述总结了神经系统疾病的发病机制以及TE的概念、最新进展和在神经科学中的应用。
图1. 组织工程在神经科学中的应用
神经系统疾病是指以感觉、意识、运动等障碍为主要表现的疾病，主要包括帕金森病、阿尔茨海默症、中风、肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS）、亨廷顿病、小脑萎缩、创伤性脑损伤（TBI）、脊髓损伤（SCI）等。中枢神经系统损伤主要由原发性和继发性损伤引起，可导致暂时或永久性的神经功能障碍。原发性损伤源于大脑或脊髓的外部创伤，继发性损伤在初始损伤后数分钟至数天内发生，通过分子、化学和炎症级联进一步损害中枢神经系统。大多数周围神经系统损伤来自直接的机械损伤，偶尔继发于肿瘤切除术，但周围神经系统具有一定程度的修复和再生能力。
组织工程研究出现于20世纪80年代，它是指应用工程学和生命科学原理开发生物组织或器官替代品，以恢复、维持或增强组织和器官的功能。发展至今，一些利用TE技术构建的神经组织已经有初步的临床应用。神经组织再生的四个关键因素是生物支架、种子细胞、生长因子和电刺激。①理想的生物支架需具备良好的生物相容性、可降解性、机械性能以及细胞界面关系。生物支架材料根据来源分为天然和合成生物材料，天然生物材料包括生物组织及其衍生物和从生物体中提取的大分子物质；合成生物材料中可降解聚合物通常具有良好的生物相容性和适当的机械特性，已经被应用于神经系统的修复。②种子细胞是TE研究的基础。施旺细胞是神经TE中最常用的种子细胞之一，能维持神经并修复受损的周围神经，利用它们可以促进神经再生和髓鞘化；干细胞有多能性和自我更新能力，是神经组织工程中种子细胞的最佳来源。③生长因子根据化学特性、浓度、持续时间和背景（多个因子的存在与否和顺序）决定细胞命运。④已有的实验证明短期低频电刺激可以促进横断神经的轴突再生，电刺激还可以促进动作电位的产生，提高细胞活性和受损神经轴突的再生能力，从而促进神经功能的恢复（图2）。
图2. 电刺激加速了目标再支配
目前电纺纳米纤维、超分子粘性水凝胶、电活性生物材料和二维材料等可植入或可注射的生物工程生物材料已被设计用来恢复受损的神经组织结构。纳米纤维在开发神经导管方面应用广泛，这些纤维为神经细胞提供适宜的环境和信号，并为物质交换提供途径。水凝胶在神经再生环境中能发挥局部运输作用，将药物和其他信号分子输送到损伤部位，然后通过支持细胞附着、发育、增殖和分化，控制宿主神经组织（图3）。电活性生物材料是一种新型的智能生物材料，可以直接对目标细胞/组织进行电刺激或改变其特性以适应细胞微环境，细胞活动和细胞信号传递可以在导电生物材料上得到控制。自石墨烯发现以来，二维材料得到广泛研究，它们具备优越的物理、电气和化学性能还有非凡的生物安全性和可降解性，这些纳米材料的高导电性能促进脑细胞的增殖，在神经系统疾病的支架构建中前景广阔。
图3. 几种用于SCI治疗的水凝胶应用示意图或实验结果
将TE引入神经科学的进展瞩目，但是挑战依然存在。目前还没有治疗方法能完全修复中枢神经系统，一些新型生物分子或媒介在动物实验中证明对神经网络修复有作用，用于临床研究时却缺乏有效再生能力。近年来，新技术的发展加速了TE在神经科学中的应用，如脑机接口和光遗传学越来越多地用于辅助调节神经信号和动物行为，而3D打印的大量可降解生物材料推动了TE在神经再生方面的研究进展。
总之，TE为神经系统疾病提供了巨大的治疗前景，但目前它还不能满足患者的所有需求，神经再生中的细胞和分子过程需要进一步研究。随着我们对神经系统疾病基础机制认识的提高，需要更高水平的跨学科知识整合来实现TE临床转化和神经科学的进步。
作者介绍
本文的通讯作者是顾臻教授，目前就职于浙江大学药学院，他是浙江大学药学院院长、教育部“长江学者”，研究方向包括生物大分子（蛋白质/核酸）递药系统、生理响应材料、免疫治疗制剂、细胞治疗策略等，已发表相关学术论文200余篇，并授权企业专利150余项。本文共通讯作者是柳扶摇研究员，目前就职于浙江大学药学院，主要的研究方向为脑部靶向药物递送系统，细胞治疗策略等。撰稿：段卓利、张宏
审核：孙敏轩、刘萍萍、邓旻
原文链接：
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