3D 打印硅酸鍶誘導神經(jīng)干細胞預神經(jīng)化支架修復梗死心肌

來源：EFL生物3D打印與生物制造

心肌梗死（MI）修復面臨的關鍵挑戰(zhàn)在于成年心肌細胞再生能力有限，且傳統(tǒng)治療（如血管成形術）僅聚焦局部血運重建，忽視神經(jīng)調(diào)控對心臟生理活動的系統(tǒng)性作用�，F(xiàn)有神經(jīng)調(diào)節(jié)策略（如迷走神經(jīng)刺激、藥物激活）因信號控制復雜和潛在副作用，臨床應用受限。此外，神經(jīng)干細胞（NSCs）雖具分化為神經(jīng)元的潛力，但其分化方向難控，依賴生長因子的傳統(tǒng)誘導方法存在穩(wěn)定性和生物安全性問題。   

針對上述痛點，中國科學院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員團隊開發(fā)了基于3D生物打印技術的“預神經(jīng)化”支架。該團隊將硅酸鍶（SrSiO₃）微粒子與NSCs結(jié)合，利用3D打印構(gòu)建多孔支架，通過Sr²⁺和Si²⁻離子釋放誘導NSCs定向分化為成熟神經(jīng)元，形成具有神經(jīng)調(diào)節(jié)功能的活性支架。體內(nèi)外實驗表明，該支架可增強心肌細胞成熟和同步收縮，激活晝夜節(jié)律相關基因（如Per2、Usp24）促進心肌修復，改善心梗大鼠心臟功能。相關工作以“Inorganic Biomaterials Inducing Scaffolds Pre㎞euralization for Infarcted Myocardium”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。論文第一作者為上海硅酸鹽所博士研究生王之栩，通訊作者為吳成鐵研究員。

預神經(jīng)化支架的設計制備及其用于梗死心肌修復的示意圖。由于硅酸鍶的作用，3D 生物打印支架中的神經(jīng)干細胞被誘導分化為成熟神經(jīng)元。將預神經(jīng)化支架植入心肌梗死大鼠體內(nèi)后，其通過調(diào)控晝夜節(jié)律相關基因，加速了梗死心肌的修復。

1. 硅酸鍶微粒子及3D打印支架的表征，通過掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）、流變學分析和離子釋放實驗等方法，研究了不同濃度硅酸鍶（SS）微粒子（0%、2%、5%、10%）的形貌、物相、生物墨水打印性能及Sr/Si離子釋放規(guī)律。結(jié)果表明，SS微粒子呈六方棱柱形，5SS-GelMA支架兼具良好打印性和離子釋放穩(wěn)定性，Sr/Si離子在7天內(nèi)基本完全釋放，與神經(jīng)干細胞（NSCs）分化時間窗匹配。      

圖1. 硅酸鍶微粒子及3D打印支架的表征。   

2. 預神經(jīng)化支架的體外神經(jīng)分化行為，利用實時定量PCR（RT-qPCR）、免疫熒光染色和EdU增殖實驗，研究了NSCs在不同SS濃度支架中的分化、增殖及毒性反應。結(jié)果顯示，5% SS濃度（5SS-GelMA-NSC）顯著促進NSCs向神經(jīng)元分化（Tuj1+和MAP2+細胞比例升高），抑制星形膠質(zhì)細胞標記物GFAP表達，且7天為最佳預神經(jīng)化時間，此時離子釋放與分化效果同步。      

圖2. 硅酸鍶微粒子誘導3D打印神經(jīng)干細胞負載支架的神經(jīng)元分化行為。   

3. 硅酸鍶促進NSCs分化的機制，通過轉(zhuǎn)錄組測序、離子濃度梯度實驗和免疫熒光染色，分析了SS調(diào)控NSCs分化的分子通路及離子作用機制。結(jié)果表明，SS通過激活軸突導向和鞘脂代謝相關基因（如MAP2），且Sr/Si離子濃度為125 μg/mL時可有效誘導神經(jīng)元成熟，過高濃度（500 μg/mL）則具細胞毒性。      

圖3. 硅酸鍶促進神經(jīng)干細胞向神經(jīng)元分化的機制及不同濃度提取液中NSCs的分化行為表征。   

4. 預神經(jīng)化支架對心肌構(gòu)建體的體外作用，通過鈣瞬變實驗、免疫熒光染色和基因表達分析，研究了預神經(jīng)化支架與心肌細胞共培養(yǎng)時的功能調(diào)控。結(jié)果顯示，5SS-GelMA-NSC支架顯著增強心肌細胞搏動同步性（鈣信號同步化）、連接蛋白Cx43表達及收縮相關基因（Myh6/Myh7）活性，促進心肌結(jié)構(gòu)成熟。      

圖4. 3D打印心肌細胞負載支架與神經(jīng)干細胞負載支架共培養(yǎng)的心肌細胞活性表征。   

5. 預神經(jīng)化支架的體內(nèi)心肌修復效果，利用大鼠心肌梗死模型、超聲心動圖和組織染色（Masson’s Trichrome、WGA等），評估了支架植入后的心臟功能及組織修復。結(jié)果表明，5SS-GelMA-NSC組大鼠左心室射血分數(shù)（EF）和縮短分數(shù)（FS）顯著提升，梗死面積減少，心肌細胞肥大減輕，且促進血管新生（vWF+和α-SMA+血管密度增加）。      

圖5. 支架移植后大鼠心臟功能評估。   

6. 心肌損傷修復的組織學觀察，通過Masson’s Trichrome染色、小麥胚芽凝集素（WGA）染色和免疫熒光染色，研究了支架植入4周后大鼠心肌梗死區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)修復。結(jié)果顯示，5SS-GelMA-NSC組梗死區(qū)域纖維組織比例最低，左心室壁厚度最大，心肌細胞代償性肥大顯著緩解，且Cx43、α-actinin等心肌功能相關蛋白表達升高，血管密度增加。      

圖6. 支架移植4周后大鼠心臟梗死區(qū)域的組織學表征。   

7. 預神經(jīng)化支架的修復機制，通過轉(zhuǎn)錄組測序和基因表達驗證，分析了支架誘導心肌修復的分子通路。結(jié)果顯示，5SS-GelMA-NSC激活晝夜節(jié)律相關基因（Per2、Per1、Usp2、Ciart），其中Per2蛋白表達顯著升高，可能通過調(diào)節(jié)炎癥反應和血管生成促進心肌修復。      

圖7. 預神經(jīng)化支架促進心肌修復的機制及晝夜節(jié)律相關基因和蛋白表達表征。

研究結(jié)論
本研究制備了由無機材料硅酸鍶微粒子誘導的負載神經(jīng)細胞的支架用于心肌梗死修復。硅酸鍶微粒子通過釋放適當濃度的鍶和硅離子，調(diào)控神經(jīng)干細胞的分化并促進神經(jīng)元成熟，實現(xiàn)了負載神經(jīng)干細胞支架的預神經(jīng)化改造。在預神經(jīng)化支架中，神經(jīng)元無需人工信號引導即可促進心肌細胞功能修復梗死心肌，對受損心肌的結(jié)構(gòu)恢復和功能重建效果顯著。研究發(fā)現(xiàn)，預神經(jīng)化支架似乎激活了四種與心臟保護相關的典型晝夜節(jié)律基因。基于神經(jīng)調(diào)節(jié)器官晝夜節(jié)律的能力，推測含有神經(jīng)元的預神經(jīng)化支架可能通過影響晝夜節(jié)律相關基因的表達促進心肌梗死修復。因此，硅酸鍶微粒子預神經(jīng)化支架從晝夜生物過程角度激活了受損心肌的結(jié)構(gòu)恢復和功能重建，為心肌梗死修復提供了一種有前景的策略。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adma.202419765