浙江大学魏威团队/福州大学张进团队联合研发多通道3D打印活性支架，定向诱导再生促进脊髓损伤后神经功能恢复

研究背景：

脊髓损伤（SCI）是极具破坏性的神经系统疾病，现有治疗手段难以实现有效功能恢复。中枢神经系统（CNS）神经元再生能力有限，且SCI后会形成抑制性病理微环境，导致永久性神经功能缺陷。现有策略（如干细胞治疗、神经营养因子递送）仅针对轴突再生的外在机制，难以实现受损轴突的稳健再生与功能整合。

PTEN基因通过抑制mTOR通路（调控细胞生长和轴突延伸的关键通路），限制了轴突的内在再生能力；虽有研究证实PTEN敲低能增强轴突再生，但单独使用缺乏结构支持，无法引导轴突向损伤部位下游的自然区域生长。脊髓由平行排列的上下行传导束构成，而再生轴突常呈多方向投射，导致神经突起功能障碍，难以重建有效神经环路。

3D打印、静电纺丝等技术制备的支架仅能提供轴突再生的物理引导，无法应对髓鞘相关抑制剂、反应性星形胶质细胞等分子抑制屏障，也不能改善损伤后的炎症微环境。单纯分子干预（如PTEN敲低）虽能增强神经元内在再生能力，但缺乏定向再生所需的结构支撑，且无法调控抑制性细胞外环境。单一肽水凝胶可优化细胞外微环境，但缺乏引导长距离轴突再生的结构精度。

现有单一策略无法同时解决“轴突内在再生能力不足”“定向引导缺失”“抑制性微环境”三大核心问题，因此需要开发整合物理引导、分子调控和微环境优化的协同治疗方案，这正是本研究的出发点。

研究进展：

浙江大学魏威教授团队与福州大学张进教授团队通过三重功能协同设计，巧妙地将物理引导、微环境调控与基因干预融为一体：1）通过高精度3D打印技术构建具有平行通道的GM-PEGDA支架，为轴突再生提供明确的“生长路径”。2）在通道内填充功能化的GM-RA4IV活性水凝胶，该水凝胶不仅能模拟天然细胞外基质，提供神经营养支持，还能有效调节损伤后的免疫抑制微环境，抑制有害的M1型巨噬细胞活化。3）制备了负载siRNA的脂质体纳米颗粒（siRNA@LNPs），能够高效敲低PTEN基因，激活mTOR信号通路，从而显著增强神经元自身的再生潜力。

GM-RA4IV水凝胶的制备与物理性能表征：GM-RA4IV水凝胶是通过将具有层粘连蛋白衍生序列的RADA4-IKVAV（RA4IV）肽接枝到GM预聚物上，并在紫外光下交联制成。该水凝胶溶液在405 nm紫外光照射10秒内即可快速形成稳定的凝胶。扫描电镜结果显示，GM-RA4IV水凝胶具有高度多孔且结构均匀的微观结构，平均孔径为16.44 ± 4.03 μm，优于GM水凝胶。流变学测试表明其具有快速的凝胶化速率和稳定的模量。压缩测试显示其压缩强度（284.67 ± 12.83 Pa）显著高于GM水凝胶。此外，GM-RA4IV水凝胶表现出较低的溶胀率（<10%）和适宜的体内外降解速率，能够在体内维持约1个月，为轴突再生提供长期的结构支撑和空间。

联合治疗重建神经回路并改善运动功能：将负载GM-RA4IV水凝胶的3D打印多通道支架（GM-3Dpro）与siRNA@LNPs联合应用（siRNA@LNPs + GM-3Dpro），展现出最佳的治疗效果。肌电图（EMG）记录显示，联合治疗组大鼠的胫骨前肌（TA）和腓肠肌（GS）电活动模式接近健康组。后肢运动学分析表明，该组大鼠的体重支撑能力、步幅长度以及膝关节运动角度均得到显著改善。BBB评分从术后第6周起显著高于其他治疗组。相关性分析进一步证实，再生的轴突数量及投射角度与膝关节运动和步态参数密切相关。

3D打印通道引导轴突平行再生：免疫荧光分析证实，siRNA@LNPs + GM-3Dpro治疗能诱导轴突进行长距离、平行于参考轴的再生。定量结果显示，该组轴突的平均投射角度（9.67° ± 6.82°）远小于无通道引导的组别，且再生轴突数量因PTEN敲低而倍增。同时，该组还观察到髓鞘碱性蛋白（MBP）和突触素（Synaptophysin）的阳性表达，表明再生轴突成功髓鞘化并形成新的突触连接。此外，5-HT和NF200阳性神经纤维的密度也显著增加，实现了无瘢痕的组织修复。

研究意义：

该研究首次整合多通道3D打印生物活性支架、层粘连蛋白衍生肽水凝胶与PTEN靶向siRNA递送系统，突破传统单一策略局限，同步解决脊髓损伤治疗中“轴突内在再生能力不足、定向引导缺失、抑制性微环境”三大核心难题，实现物理引导、分子调控与微环境优化的协同作用；同时，其明确了Ephrin/Eph信号通路在轴突平行再生中的关键作用，深化了对SCI治疗分子机制的理解，为后续靶点研究提供新方向；此外，所用GM-RA4IV水凝胶具备适宜机械强度、低肿胀率与可控降解性，3D打印支架通道设计匹配脊髓传导束结构，siRNA递送系统高效低毒，这些特性也为该方案后续临床转化奠定了材料与技术基础，推动SCI治疗从基础研究向临床应用迈出重要一步。

未来展望：

该研究未来需进一步拓展临床转化场景，在更贴近临床实际的慢性脊髓损伤病例、模拟严重损伤的完全脊髓横断模型及大动物模型中验证方案疗效，同时优化干预时机与手术递送方式，解决规模化生产、长期植入稳定性等实际应用问题，推动方案从大鼠实验向人类临床应用过渡；同时尝试将该整合方案与干细胞治疗、电刺激、类器官等其他疗法结合，强化“轴突高速公路 - 路径网络”的神经环路重建效果。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0951