バイオプリントされた神経組織は神経幹細胞の機械的伝達を促進し、機能的な神経ネットワークの再生を加速する

出典: EngineeringForLife

脊髄損傷の再生と修復は世界的な医療問題であり、現在、臨床現場では効果的な治療法が不足しています。現在、生物学的 3D 印刷技術に基づく「バイオニックマトリックス幹細胞」マイクロモジュールの 3 次元精密組み立てによって構築されたバイオニック神経組織代替物は、神経損傷修復の分野で大きな応用可能性を示しています。このバイオニック代替品は、「生きた」材料のユニークな特性を備えています。そのマトリックス材料は、誘導信号を効率的に伝達して、神経幹細胞 (NSC) の神経ネットワーク自己組織化プロセスを正確に駆動し、代替品が徐々に実際の神経組織に進化することを可能にし、損傷した神経組織と機能の完全な置き換えを実現します。しかし、神経組織は非常に複雑であるため、材料と幹細胞の相互作用をさらに拡大し、組織のような組織の神経機能を強化するためにマトリックス材料をどのように設計するかが、現在の研究における重要な難題として残っています。

最近、清華大学材料科学工学部の王秀梅氏のチームと、清華大学付属北京清華長庚病院脳神経外科の王桂懐氏のチームは、天然神経組織の細胞外マトリックス（ECM）の微小機械力学にヒントを得た新しいタイプの動的アクティブバイオインクを提案した。このインクは、3Dプリントされたマイクロモジュール内の「マトリックス材料-NSC」間の相互作用を強化し、NSCの機械的感度と伝導能力を高め、NSCの動作に対する誘導信号を提供し、最終的には生物学的3Dプリント神経組織における機能的神経ネットワークの構築プロセスを効果的に加速し、効率的な神経組織機能の置換を実現するための実用的な新しい戦略を提案します（図1）。

「3Dバイオプリントされた動的生体活性生体構造は、脊髄損傷の修復のためのメカノトランスダクション支援による迅速な神経ネットワークの自己組織化を強化する」と題された関連研究は、1月8日にBioactive Materialsにオンライン掲載されました（2023年のインパクトファクター18.0）。清華大学材料科学工学部のポスドク研究員であるヤン・ジア氏が本論文の筆頭著者である。清華大学材料科学工学部の2024年修士課程学生であるジン・ジェンキウ氏と清華長庚記念病院脳神経外科の2022年博士課程学生であるリウ・ヤオサイ氏は本論文の共同筆頭著者である。清華長庚記念病院神経センター長のワン・グイホアイ教授、清華長庚記念病院脳神経外科研修医のヤン・カイユアン氏、清華大学材料科学工学部のワン・シウメイ研究員が本論文の共同責任著者である。

図1. バイオ3Dプリントされた動的活性バイオニック神経繊維の神経ネットワークの構築に関する機能的研究により、動的生体活性ハイドロゲルをバイオインクとして使用し、可逆的なシッフ塩基結合とNカドヘリン模倣ペプチドおよび脳由来神経栄養因子（BDNF）模倣ペプチドを組み合わせることで、NSCに細胞適応型生体力学的信号と細胞運命を導く生化学的信号を提供できることが示されました。これにより、周囲のハイドロゲルマトリックスによって提供される動的機械的信号と神経栄養信号に対するNSC細胞の感知能力と応答能力が向上し、3Dマトリックス内でのNSCの機械的感知、拡散、移動、マトリックスリモデリングが大幅に強化され、移植されたNSCの運命の正確な制御が可能になります（図2）。同時に、体内に埋め込まれた3Dバイオプリントバイオニック神経繊維は、神経新生とシナプス形成を効果的に促進し、3Dバイオプリント構造内で機能的神経ネットワークの自己組織化を加速し（図3）、脊髄損傷ラットの運動機能と感覚機能を大幅に回復させます（図4）。

図2 動的活性バイオインクは、細胞の機械力学的変換を強化することにより、in vitro で NSC の運命を制御します。図3 動的活性バイオインクがバイオニック神経組織の機能的神経ネットワークの構築を制御する分子メカニズム。図4 バイオ 3D プリントされた動的活性バイオニック神経繊維は、脊髄損傷を負ったラットの運動機能と感覚機能の回復を促進します。上記の研究は、中国国家自然科学基金、清華大学国家新セラミック材料重点研究室のオープンプロジェクトファンド、北京清華長庚記念病院の「啓明人材」研究基金によってサポートされました。

参照: https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.12.028

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