综述
脊髓损伤修复
保护与再生
阐述利用干细胞联合三维生物打印支架治疗脊髓损伤的现状
南通大学董传明团队
撰文：居丁玥，董传明
脊髓损伤是最具致残性和破坏性的神经系统疾病之一，脊髓损伤修复是一个“卡脖子”的世界性重大医学难题，是医学界的珠穆朗玛峰。由于中枢神经系统可塑性差，神经元再生能力极其有限，脊髓损伤后的再生修复能力非常微弱，患者完全恢复身体正常功能的概率非常低。传统的治疗方法只能减轻继发性损伤，而不能从根本上修复脊髓，因此迫切需要新的治疗方法来促进脊髓损伤后的功能修复。目前正在探索几种可能的脊髓损伤治疗方法。目前，干细胞治疗脊髓损伤的方法正在逐渐成熟。随着发展，在组织工程领域，三维生物打印已引起广泛关注，因为其可精确地打印复杂的结构。因此，构建具有精确细胞定位的负载干细胞的三维打印生物支架具有修复脊髓损伤的一定潜力。
最近，来自中国南通大学董传明团队在《中国神经再生研究（英文版）》（Neural Regeneration Research）上发表了题为“The combined application of stem cells and three-dimensional bioprinting scaffolds for the repair of spinal cord injury”的文章，其讨论了单纯干细胞疗法的作用机制、不同类型的干细胞在脊髓损伤治疗中的应用以及三维生物打印支架的不同制作方法等。由于联合疗法逐步显示出在临床前试验中的应用潜力与优势，所以此次综述主要侧重于阐述介绍干细胞和三维打印支架在脊髓损伤方面的联合疗法。
目前，越来越多的动物实验和临床试验表明，使用干细胞治疗脊髓损伤可以发挥有益的治疗效果，在修复受损组织和促进神经功能恢复方面具有巨大潜力。胚胎干细胞、间充质干细胞、造血干细胞、神经干细胞、诱导多能干细胞等不同类型的干细胞可通过发挥不同的机制作用，如组织修复和替换、神经营养和再生作用、促进血管生成、抗凋亡作用、抗炎作用等，实现了轴突再生，桥接损伤断端完成再生（图1）。
图1当干细胞移植到脊髓病变部位时，不同的干细胞能发挥不同的作用（图源：Ju and Dong, Neural Regen Res, 2024）
近几年，纳米技术和组织工程的发展为神经系统疾病提供了有效的治疗策略。神经组织工程的重点是改善损伤局部的微环境，以修复和恢复神经组织功能。而三维支架和类似支架的材料恰恰能够为成功的神经再生提供物理支持和化学支撑。最近，三维生物打印技术引起了人们的关注，这种技术可以很容易地调节三维组织支架的尺寸和形状，且能够生产含有细胞的支架。
相比于传统的支架制造方法，三维生物打印技术可看做三维打印和生物打印的结合，当然，也拥有了上述2种技术的优点。首先，三维打印可以形成“个性化”的制造方案，可根据不同个体的脊髓损伤部位的特点定制支架的形状，以达到最大的自然保真度，这使得打印的组织结构能够适应损伤的微环境。同时，三维打印也可为轴突再生提供方向。这种定向再生有利于轴突之间形成突触，从而实现脊髓内神经通路的再生，最终促进神经网络的形成。此外，与传统组织工程相比，生物打印样本的形成速度更快。这种体外模型的建立更有效地为神经系统组织重建带来了“术前模拟”，可以更精准地实现损伤修复的目标。
作为理想的神经组织工程支架，应满足以下标准：（1）具有生物相容性，即在缺乏免疫和细胞毒性反应的情况下提供细胞粘附、增殖和分化；（2）具有生物降解性，即与新组织形成速度相匹配的速度降解的支架，最终从系统中移除支架；（3）具有导电性，从而支持神经突起生长和神经再生；（4）设计的生物支架应尽可能符合脊髓的机械性能，理想情况下约为10 kPa，保证其不会增加损伤区域的应力或通过规则运动而塌陷；（5）具有多孔互连的支架能够模拟自然组织的细胞外基质、血管化，使细胞能够很好地分散并交换废物和营养物质；（6）适当的通道直径：通道直径大于450 μm会导致神经再生减慢。
现在较为时新的几种方式分别是喷墨生物打印、熔融沉积建模、光固化技术、微挤压生物打印和三维生物绘图（图2）。
图2用于组织工程应用的最流行三维生物打印方法（图源：Ju and Dong, Neural Regen Res, 2024）
大量研究表明，复合干细胞和支架移植是治疗脊髓损伤的有效方法。三维生物打印技术的发展可使与细胞相结合的三维支架更准确、更有效地用于脊髓损伤的治疗。这提供了一种强大而通用的方法来排列大量均匀且密集分布的功能细胞以及创建精确控制的神经组织结构。负载细胞/活性因子的三维生物打印的显著优势在于，其可构建一个“脊髓样”支架，其中有大量细胞精确地空间排列，以实现最佳轴突重新连接。
近几年的研究逐渐开始从单一材料构成的支架转变为多种材料构成的支架，在这个基础上再联合干细胞，观察对脊髓损伤的疗法。也有研究尝试将单一材料与多种细胞联合应用于损伤的脊髓，实验结果均显示疗效显著（图3）。
图3 干细胞与三维生物打印支架联合应用于脊髓损伤修复的过程（图源：Ju and Dong, Neural Regen Res, 2024）
利用三维生物打印支架负载干细胞已被研究作为一种潜在的治疗脊髓损伤的方法。每种干细胞类型都有各自的优势，仍需确定哪种细胞类型显示出最有效的效果。三维生物打印支架的不同打印方法可以克服其他方法的局限性，如成本、复杂性以及免疫排斥和激活的风险。当然，这种方法也有其局限性，如大规模制造的可能性低，生物打印工艺繁琐，制作时间长，机械稳定性低，细胞存活率低，甚至保存和运输方法都需要我们做出很多尝试。因此，需要大量的研究来寻找最佳的生物墨水和方法，将三维生物打印支架与干细胞结合在工艺制造和临床试验中，以改善瘫痪患者的生活质量。到目前为止，还没有随机临床试验证明一种治疗方法能够促进脊髓损伤患者的功能恢复。
需要强调的是，由于脊髓损伤复杂的病理生理，单一的治疗方法不太可能克服多方面的障碍。除了生物干预外，还应结合其他工程策略，如神经电调控和基于活动的康复，以获得更好的疗效。我们注意到，外泌体也越来越多地用于脊髓损伤的治疗，因此我们设想将外泌体与四维打印生物支架相结合可能是未来治疗脊髓损伤的一种很有前景的方法。
南通大学董传明团队全家福
第一作者：居丁玥，南通大学医学院2019级临床医学专业本科在读
通讯作者：董传明，南通大学医学院人体解剖学系副教授
文章在《中国神经再生研究（英文版）》杂志2024年8期发表。
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https://www.sjzsyj.com.cn/CN/10.4103/1673-5374.385842
引用本文：
Ju D, Dong C (2024) The combined application of stem cells and three-dimensional bioprinting scaffolds for the repair of spinal cord injury. Neural Regen Res 19(8):1751-1758.
