3D打印醫學應用：用人造脊髓為神經“搭橋” 讓癱瘓大鼠再度行走
時間：2019-01-16 11:56 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
3D打印技術就像個“萬能積木”，能以廉價的成本解決許多傳統技術難以制造的產品問題。目前3D打印在醫療方面的應用有醫療器械、人造器官等，甚至連栩栩如生的假肢都能打印出來。
在最近的一項研究中，科學家利用最先進的3D技術，為脊椎受傷的人們帶來了重新行走的希望。研究人員首次利用快速3D打印技術制造出脊髓，然后成功地將裝有神經干細胞的支架植入大鼠嚴重脊髓損傷的部位。植入物的目的是促進脊髓損傷的神經生長，恢復連接和失去的功能。在大鼠中，支架能夠支持組織再生、干細胞存活和神經干細胞軸突從支架向宿主脊髓的擴展。
該研究的共同高級作者、加州大學圣地亞哥分校的馬克•圖斯基(Mark Tuszynski)教授說:“近年來，我們的研究成果和論文都在不斷地向脊髓損傷中大量、長距離再生軸突的目標邁進，而軸突的再生對于任何身體功能的真正恢復都是至關重要的。”
軸突是神經細胞上長長的、像線一樣的延伸部分，它可以延伸到其他細胞。
共同第一作者Kobi Koffler博士是Tuszynski博士實驗室的助理項目科學家，他說:“這項新工作讓我們更接近真實世界，因為3D支架再現了脊髓中纖細的、捆綁的軸突陣列。”“它幫助組織再生軸突來復制受傷前脊髓的解剖結構。”合著者Shaochen Chen博士利用快速3D打印技術創造了一個模擬中樞神經系統結構的支架。他說:“它就像一座橋，將再生軸突從脊髓損傷的一端連接到另一端。”
“軸突本身可以向任何方向擴散和再生，但支架使軸突保持有序，引導它們向正確的方向生長，從而完成脊髓連接。”植入物包含數十個200微米寬的微小通道，是人類頭發的兩倍寬，它們引導神經干細胞和軸突沿著脊髓損傷的長度生長。Chen教授的研究小組使用的打印技術在1.6秒內就可以打印出兩顆毫米大小的植入物。傳統的噴頭打印機需要幾個小時才能打印出比這簡單許多的結構。根據研究小組的說法，這個過程可以擴展到人類脊髓的大小。
為了證明這一概念，研究人員打印了四厘米大小的植入物，這些植入物是根據人體脊髓損傷的核磁共振成像掃描結果制成的。
這些東西在10分鐘內就被打印出來了。
第一作者之一、Chen博士團隊的納米工程博士后Wei Zhu博士說:“這顯示了我們3D打印技術的靈活性。”我們可以快速打印出一種植入物，無論大小和形狀如何，它都能與宿主脊髓受傷的部位相匹配。”
研究人員將這兩種毫米大小的植入物植入大鼠嚴重的脊髓損傷部位，植入物中含有神經干細胞。幾個月后，新的脊髓組織在整個損傷過程中完全再生，并連接了宿主脊髓的斷端。經過治療的大鼠后肢功能恢復“顯著”改善。Koffler博士說:“這標志著修復人類脊髓損傷的臨床試驗又向前邁出了關鍵一步。”
“支架提供了一個穩定的物理結構，能夠支持神經干細胞的穩定移植和存活。”“它似乎可以保護移植的干細胞免受脊髓損傷的毒性和炎癥環境的傷害，并幫助引導軸突完全穿過損傷部位。”
他說，接受治療的老鼠的循環系統已經滲透到植入物內部，形成了功能正常的血管網絡，這有助于神經干細胞的存活。Zhu博士補充說:“血管化是工程組織植入物的主要障礙之一，這種植入物可以在體內保留很長時間。”“3D打印的組織需要血管系統來獲得足夠的營養和排泄廢物。我們小組之前做過3D打印血管網絡的工作，但是我們沒有把它包含在這個工作中。”“由于我們的3D支架具有良好的生物相容性，生物學自然會為我們處理這些問題。”
現在，科學家們正在擴大這項技術的規模，并在更大的動物模型上進行試驗，為可能的人體試驗做準備。下一步還包括在脊髓支架內加入蛋白質，進一步刺激干細胞存活和軸突生長。
研究結果發表在《自然醫學》雜志上。
該研究的共同高級作者、加州大學圣地亞哥分校的馬克•圖斯基(Mark Tuszynski)教授說:“近年來，我們的研究成果和論文都在不斷地向脊髓損傷中大量、長距離再生軸突的目標邁進，而軸突的再生對于任何身體功能的真正恢復都是至關重要的。”
軸突是神經細胞上長長的、像線一樣的延伸部分，它可以延伸到其他細胞。
共同第一作者Kobi Koffler博士是Tuszynski博士實驗室的助理項目科學家，他說:“這項新工作讓我們更接近真實世界，因為3D支架再現了脊髓中纖細的、捆綁的軸突陣列。”“它幫助組織再生軸突來復制受傷前脊髓的解剖結構。”合著者Shaochen Chen博士利用快速3D打印技術創造了一個模擬中樞神經系統結構的支架。他說:“它就像一座橋，將再生軸突從脊髓損傷的一端連接到另一端。”
“軸突本身可以向任何方向擴散和再生，但支架使軸突保持有序，引導它們向正確的方向生長，從而完成脊髓連接。”植入物包含數十個200微米寬的微小通道，是人類頭發的兩倍寬，它們引導神經干細胞和軸突沿著脊髓損傷的長度生長。Chen教授的研究小組使用的打印技術在1.6秒內就可以打印出兩顆毫米大小的植入物。傳統的噴頭打印機需要幾個小時才能打印出比這簡單許多的結構。根據研究小組的說法，這個過程可以擴展到人類脊髓的大小。
為了證明這一概念，研究人員打印了四厘米大小的植入物，這些植入物是根據人體脊髓損傷的核磁共振成像掃描結果制成的。
這些東西在10分鐘內就被打印出來了。
第一作者之一、Chen博士團隊的納米工程博士后Wei Zhu博士說:“這顯示了我們3D打印技術的靈活性。”我們可以快速打印出一種植入物，無論大小和形狀如何，它都能與宿主脊髓受傷的部位相匹配。”
研究人員將這兩種毫米大小的植入物植入大鼠嚴重的脊髓損傷部位，植入物中含有神經干細胞。幾個月后，新的脊髓組織在整個損傷過程中完全再生，并連接了宿主脊髓的斷端。經過治療的大鼠后肢功能恢復“顯著”改善。Koffler博士說:“這標志著修復人類脊髓損傷的臨床試驗又向前邁出了關鍵一步。”
“支架提供了一個穩定的物理結構，能夠支持神經干細胞的穩定移植和存活。”“它似乎可以保護移植的干細胞免受脊髓損傷的毒性和炎癥環境的傷害，并幫助引導軸突完全穿過損傷部位。”
他說，接受治療的老鼠的循環系統已經滲透到植入物內部，形成了功能正常的血管網絡，這有助于神經干細胞的存活。Zhu博士補充說:“血管化是工程組織植入物的主要障礙之一，這種植入物可以在體內保留很長時間。”“3D打印的組織需要血管系統來獲得足夠的營養和排泄廢物。我們小組之前做過3D打印血管網絡的工作，但是我們沒有把它包含在這個工作中。”“由于我們的3D支架具有良好的生物相容性，生物學自然會為我們處理這些問題。”
現在，科學家們正在擴大這項技術的規模，并在更大的動物模型上進行試驗，為可能的人體試驗做準備。下一步還包括在脊髓支架內加入蛋白質，進一步刺激干細胞存活和軸突生長。
研究結果發表在《自然醫學》雜志上。
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