3D工程人体组织首次成功地让长期瘫痪小鼠恢复了行走能力

这些研究人员由特拉维夫大学Tal Dvir博士、教授实验室的一个团队领导，目前正准备在人类患者身上进行临床试验。他们希望在几年内，这种工程组织将被植入瘫痪的人体内，使他们能够再次站立和行走。

Dvir说:“这是世界上第一个植入工程人体组织的动物模型对长期慢性瘫痪产生恢复效果的例子，这是与人类瘫痪治疗最相关的模型。有成千上万的世界各地的人们由于脊髓损伤瘫痪,和仍然没有有效的治疗条件…我们希望达到的临床试验，在未来的几年里，并最终让这些病人恢复元气。”

研究人员在《先进科学》(Advanced Science)杂志上发表了他们的研究结果，论文的标题是:“通过工程ipSCs衍生的3D神经元网络，在慢性阶段再生受伤的脊髓。”

作者指出，外伤性脊髓损伤(SCI)对患者健康和生活质量的所有方面都有直接和灾难性的影响。主要损伤造成直接损伤，通常导致细胞死亡、血脊髓屏障破裂和细胞外基质(ECM)降解。“这些过程会引发继发性的促炎症损伤级联反应，导致进行性组织损伤，最终形成胶质瘢痕，”研究小组继续说。损伤部位周围的健康神经组织包含了可以促进组织修复的线索，但疤痕中缺乏研究人员所称的细胞生长的“允许微环境”，而且没有可以指导神经生长的ECM分泌因子，导致非常差的再生潜力和永久的神经功能障碍。

研究小组进一步指出，使用诱导的多能干细胞来源的神经元的细胞治疗被认为是一种有希望的方法来再生受伤的脊髓。“然而，在慢性阶段形成的疤痕并不是细胞或生物材料移植或组织组装的允许微环境。一个特定脊髓运动神经元分化协议在3D动态微环境…不仅能提供细胞分化线索，也为适当的组织形成提供自然特征信号。我们进一步假设，在植入前组装一个功能性神经元网络将增加功能性植入的机会。”

在他们最新发表的论文中，研究人员描述了他们最近是如何开发出ipSCs衍生的人体组织植入物，这种植入物有可能完美匹配患者的免疫和细胞特征。他们解释说:“原则上，在这种方法中，从患者身上提取一小块脂肪组织活检，将细胞和非细胞物质分离出来。当细胞被重新编程成诱导多能干细胞时，ECM被加工成个性化的水凝胶。”

Dvir说:“我们的技术是基于从患者的腹部脂肪组织中提取一小块切片。这种组织，就像我们身体中的所有组织一样，由细胞和ECM(由胶原和糖等物质组成)组成。将细胞从体外基质细胞中分离出来后，我们使用基因工程技术对细胞进行重新编程，使它们恢复到类似于胚胎干细胞的状态——也就是能够变成身体中任何类型细胞的细胞。我们从ECM中制作了个性化的水凝胶，植入后不会引起免疫反应或排斥反应。然后，我们将干细胞封装在水凝胶中，在模仿脊髓胚胎发育的过程中，我们将细胞转化为包含运动神经元的神经元网络的3D植入物。”

作者进一步指出，“在整个体外培养阶段，细胞和水凝胶表现出协同效应，模仿胚胎中脊髓形成的过程。经过处理的水凝胶通过为细胞提供足够的微环境，支持了人诱导多能干细胞的3D高效分化。随后，在分化过程中，不同发育阶段的细胞通过分泌特异性的神经元ECM蛋白，不断重构水凝胶，为细胞-细胞和细胞-基质相互作用提供诱导微环境。”

由此产生的人类脊髓植入物在瘫痪的小鼠实验室模型中进行了测试。作为概念的证明，研究人员首次成功地在急性损伤和瘫痪很久的小鼠模型上测试了植入物。该团队写道:“植入物通过生化和机械信号丰富了受阻区域，以吸引祖细胞，支持细胞存活和移植，减少了病变部位的炎症和胶质细胞增生，总体上改善了被治疗动物的运动能力。”

他们还在慢性或长期损伤和瘫痪的小鼠模型上测试了这种植入物，这相当于人类一年的时间。作者指出:“在证明了植入物在急性期恢复受伤脊髓的能力后，我们继续在一个更临床相关的模型中评估它们再生组织的能力。在这个阶段，伤疤完全发育，行为的自发恢复达到了平台期。”结果证实，植入后100%的急性瘫痪模型和80%的慢性瘫痪模型恢复了行走能力。

“这些模型动物经历了一个快速的康复过程，最终它们可以很好地行走……世界上有数百万人由于脊髓损伤而瘫痪，目前仍没有有效的治疗方法。年纪很小就受伤的人注定要在轮椅上度过余生，承担瘫痪带来的所有社会、经济和健康方面的代价。我们的目标是为每个瘫痪的人生产个性化的脊髓植入物，使受损组织的再生没有排斥反应的风险。”

在他们发表的论文中，作者总结道:“展望未来，在克服严格的监管挑战后，所报道的技术可能与治疗瘫痪的人类患者有关。在这个概念中，通过从患者身上取一小块活检组织，就可以生产个性化的水凝胶，并生成针对患者的ipSCs，以获得个性化的SC植入物。这种植入物能够替代切除的疤痕组织，并重新连接受伤的人类SC，这可能代表了一种新的个性化细胞治疗方法。”

Dvir与业内合作伙伴合作成立了Matricelf公司，该公司正在应用这种方法，目标是使脊髓植入治疗能够用于瘫痪患者。“公司的临床前项目已经与FDA进行了讨论，”Dvir说。“既然我们在再生医学中提出了一项先进的技术，而且目前对于瘫痪患者还没有其他替代方案，我们有充分的理由期待我们的技术相对较快地获得批准。

Regenerating the injured spinal cord at the chronic phase by engineered ipSCs-derived 3D neuronal networks