神经干细胞自组织发育为神经网络

创伤性脊髓损伤可导致脊髓组织缺损，损伤处的恶劣微环境给脊髓组织的再生以及移植细胞的存活带来巨大挑战。在脊髓损伤处移植胚胎脊髓组织的研究已有三十多年，通过其中的胚胎脊髓神经元去替换死亡的脊髓神经元，在损伤/移植处形成神经元中继器(neuronal relay)修复脊髓损伤的理念逐渐形成，并得到了验证。然而，胚胎脊髓组织移植受到学限制、移植物不易获取等多方限制，不符合临床转化的要求。如何有效地在体外应用细胞因子、生物材料和干细胞等组织工程新技术构建类似胚胎脊髓的神经网络组织是研究者们攻坚克难的关键所在。

近日，中山大学曾园山教授团队研制可以缓释神经营养素-3 （NT-3）的三维支架材料，可诱导高表达酪氨酸激酶受体C(TrkC)的神经干细胞在支架材料中自组织发育为神经网络组织，并在移植到脊髓全横断大鼠后能与宿主神经环路功能性整合，促进大鼠运动功能恢复。

在胚胎脊髓发育过程中，神经元发生的机制涉及特定配体和受体之间相互作用，对其进行解析有助于指导用于脊髓结构和功能修复的神经网络组织的体外构建。研究人员通过解析胚胎脊髓单细胞图谱，发现NT-3及其受体TrkC在脊髓神经元的发生及成熟过程中起重要作用。随后，设计了一种配体-受体反应性的方法来促进神经网络自组织形成。

研究人员将TrkC高表达的NSCs种植于NT-3缓释三维支架中，使其在NT-3富集的微环境中分化为具有成熟表型和电生理功能的神经元。随着培养时间增长，外源性NT-3与来自干细胞自分泌的生长因子和细胞外基质(如层粘连蛋白等)在一起创造了一种独特的生态位(ecological niche)。这样的营养因子、干细胞自分泌的生长因子以及沉积在支架上的细胞外基质之间动态整合，促使组织样组装，最终形成具有传递兴奋功能的神经元、具有髓鞘形成潜能的少突胶质细胞、星形胶质细胞、少量干细胞和细胞外基质组成的神经网络组织。

进一步地，将神经网络组织移植到大鼠脊髓全横断2 毫米缺损区，可观察到这种含有生态位的神经网络组织在损伤/移植区能存活较长时间，维持相关细胞的分化表型，并形成突触及髓鞘结构。此外，宿主神经纤维再生进入脊髓损伤/移植区与移植的NSC源性神经元形成突触样结构，促进大鼠瘫痪后肢运动功能的改善。

A 胚胎脊髓发育的单细胞数据显示神经营养因子Ntf3(NT-3)特异表达在运动神经元中，而其受体Ntrk3(TrkC)不仅在祖细胞中表达，而且在各类神经元中广泛表达；B、C NT-3三维支架的电镜及形态图；D、E 自组织神经网络中神经元的动作电位及自发兴奋性突触后电流；F 移植的神经网络组织中少突胶质细胞形成髓鞘包裹神经纤维；G 移植的神经网络组织中表达TrkC的神经元形成突触结构

该成果近日发表于Bioactive Materials期刊。研究结果证实，基于解析胚胎脊髓微环境诱导神经元发生的机制所制备的NT-3缓释支架，可诱导TrkC修饰的神经干细胞朝向神经元命运分化，并自组织发育为具有兴奋性突触传递功能的神经网络组织，改善受损脊髓的神经传导功能。本研究首次模拟胚胎发育过程中配体/受体间的诱导神经元发生机制，对种子细胞、生物活性因子、生物支架材料和组织化培养时间这四种要素进行组织工程化设计，为脊髓损伤修复提供了新的治疗方案。