神经干细胞联合组织工程技术构建类脊髓组织修复脊髓损伤的机制研究

Spinal cord lack self-repairing ability when injury happen due to the adverse microenvironment. A large number of experiments reported in the literature and our data showed that, taking advantage of neural stem cell and tissue engineering technology to provide a neuronal “ relay” (a group of interneurons which make new synaptic connections with host neurons and reconstruct damaged neural circuity) at the injury site may be one of the most promising therapeutic strategies. However, the effects were still not ideal. Our previour study constructed a tissue engineering neural network and partially repaired the injury spinal cord . Based on the previous study, we assumed that to guide the nerve regeneration may help the neuronal relay better carry out its’ function to repair the neural circuity. We describe herein an idea of building a functional spinal cord-like tissue, which is mimic the real spinal cord, containing neural stem cells derived white matter and grey matter. It can secret many neurotrophic factors to promote and guide the nerve regeneration. To facilitate host nerves making synaptic connections with “gray matter” and myelination in “white matter”, thus, maximize the function of the neuronal relay. Meanwhile, deeply analyse the effect mechanism of spinal cord-like tissue will established the theory and the practice foundation for the future translational research.

脊髓损伤形成极度不利的神经再生微环境，受损的神经通路难以自身修复。我们的实验及文献均提示：利用干细胞与组织工程技术在损伤处提供神经元中继器（与中断的神经通路重新形成突触连接，重建神经环路的中间神经元网络）可能是治疗的有效途径，但效果还不理想。我们在前期构建神经网络修复脊髓损伤的基础上设想：在脊髓全横断处引导神经纤维有序再生能更好地发挥中继器的效果。本项目旨在模拟脊髓的结构和主要细胞类型，构建类脊髓组织：利用神经干细胞（NSCs）分化的少突胶质细胞组成白质；利用NSCs分化的神经元组成灰质；利用移植细胞分泌的神经营养因子营造促神经再生的微环境，在脊髓全横断处引导再生的神经纤维有序地和类脊髓灰质的神经元形成突触连接，有序地被类脊髓白质的少突胶质细胞髓鞘化，高效地发挥中继器的功能。进一步探讨类脊髓组织改善再生微环境发挥中继器作用的机制，为脊髓损伤的治疗提供新策略，为向临床转化奠定理论和实践基础。

本项目综合应用神经干细胞、神经营养因子和生物材料在三维时空中动态相互作用形成类脊髓组织，该组织含有类似于正常脊髓白质和灰质结构及其主要组织细胞(神经元、少突胶质细胞和星形胶质细胞)，即由白质模块(white matter-like tissue, WMLT)和灰质模块(grey matter-like tissue, GMLT)组合而成。研究已证实，类脊髓组织的白质模块和灰质模块通过动态的相互作用最终实现功能性整合，这种新型的模块化构建的类脊髓组织，为全横断脊髓损伤后组织结构及功能修复提供了可能。对不同批次构建类脊髓组织的质量和功能进行标准化检测，将经过标准化检测的类脊髓组织移植到 SD 大鼠全横断脊髓损伤处 (2毫米缺损组织区)能够整合到宿主脊髓神经网络中，实现瘫痪后肢的重新站立和支撑体重，提示类脊髓组织移植对修复严重性脊髓损伤具有较好的应用前景。下一步研究创新性地应用物理结构更类似于脊髓白质的功能生物材料，构建新型的类脊髓组织，证实新型的类脊髓组织移植能够按照脊髓白质对应白质、灰质对应灰质的配对方式整合到全横断脊髓缺损区，更高效地发挥组织工程神经元中继器的作用，接收/调节上、下行神经信息，从而提升全横断脊髓损伤后瘫痪肢体的自主运动和感觉功能；同时进一步开展新型类脊髓组织移植治疗大动物全横断脊髓损伤的临床前研究。进一步研究类脊髓组织修复脊髓损伤的机制将为类脊髓组织应用于大动物脊髓损伤治疗提供理论依据，将加速类脊髓组织的研究成果向临床脊髓损伤治疗应用的转化。研究结果发表于Advanced Science 2018（IF：15.804）