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腰痛问题日益严峻，其中椎间盘（IVD）退变是重要诱因。研究人员开展悬浮生物打印全 IVD 类似物研究，用患者来源的细胞构建模型，发现组织刚度和氧张力可调节细胞表型。该研究为 IVD 退变研究和再生疗法开发提供重要依据。
在生活中，腰痛就像一个 “顽固的小恶魔”，常常困扰着许多人。据估计，全球约有 6.32 亿人饱受下腰痛之苦，在全球北方地区，更是有 85% 的人在一生中都可能遭遇它。而椎间盘（IVD）退变与约 40% 的腰痛病例相关，可当前的治疗手段却难以触及根本病因。
IVD 是人体脊柱中重要的 “缓冲垫”，由中央的髓核（NP）和周围的纤维环（AF）组成。NP 富含水化蛋白聚糖，能在受压时发挥良好的缓冲作用；AF 则是由胶原纤维等构成的纤维结构，负责分散拉伸和剪切应力，同时限制 NP 的膨胀。正常情况下，NP 和 AF 细胞在低氧环境中维持着组织的稳态，细胞外基质（ECM）的信号和组织微环境条件也至关重要。然而，随着年龄增长或其他因素影响，IVD 会发生退变，NP 刚度增加、AF 中胶原 VI 减少等变化，都会导致 IVD 的生物力学完整性下降，引发腰痛。
为了深入了解 IVD 退变的机制，探索有效的再生疗法，来自国外的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们将悬浮浴与生物打印技术相结合，成功创建了四种多材料的全 IVD 类似物，并深入研究了降低氧张力和增加区域基质刚度对椎间盘细胞表型的综合影响。该研究成果发表在《Acta Biomaterialia》上，为该领域带来了新的曙光。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，利用 BioCAD 设计出具有特定结构的 IVD 模型；接着，通过悬浮层添加剂制造（SLAM）和微阀辅助材料喷射技术，将含有 NP 和 AF 细胞的海藻酸盐 - 胶原水凝胶生物打印成双相 IVD 结构；之后，对生物打印的 IVD 进行振荡流变学表征，评估其力学性能；最后，运用免疫荧光染色和图像分析技术，量化细胞外基质相关蛋白的表达情况 。
研究结果主要包括以下几个方面：
- 生物打印参数优化和 IVD 表征：优化了海藻酸盐 - 胶原水凝胶的浓度和生物打印参数，使打印的 IVD 模型具有较高的形状保真度。流变学分析表明，通过改变交联剂浓度可显著调节区域力学性能，且 NP 和 AF 的刚度在不同模型中存在显著差异。在培养 21 天内，IVD 的尺寸和 NP 占比与设计相符。
- 细胞分布和活力：生物打印的 IVD 在整个培养期间保持了良好的空间区域化和细胞分布，NP 和 AF 细胞之间有明显的界面。21 天时，原代 NP 细胞活力为 88%，AF 细胞活力为 71% 。
- 新生细胞外基质评估：
- I 型前胶原（ProCOL1）产生：所有模型在培养 21 天后均产生 ProCOL1，在 NP 中，低氧条件下的模型染色程度更高；在 AF 中，虽然各模型间平均每细胞的 ProCOL1 综合密度相似，但部分区域有合成活跃的迹象。
- VI 型胶原（COL6）产生：不同模型中 COL6 的染色面积、强度和综合密度存在较大差异。在 NP 中，低氧和高刚度条件下更有利于基质分泌；在 AF 中，常氧条件下的染色面积和综合密度更大。
- 聚集蛋白聚糖（aggrecan，ACAN）产生：所有模型均产生 ACAN，在 NP 细胞中，多为点状且位于细胞内，部分模型有细胞周积累现象；在 AF 中，高刚度模型的染色面积和强度更大，低氧条件下的综合密度更高，表明 ACAN 主要受低氧调节。
- 透明质酸（hyaluronic acid，HA）产生：在 NP 细胞中，hIVDsoft模型的 HA 产生量最大；在 AF 中，nIVDsoft和 hIVDstiff模型的 HA 产生量较高。
- 刚度和低氧对基质合成的综合影响：在 NP 中，低氧和高刚度通常会增加基质合成；在 AF 中，刚度对不同蛋白的影响不同，且低氧的影响通常比刚度更显著。
研究结论和讨论部分指出，该研究成功实现了悬浮生物打印含患者来源原代细胞的全 IVD 类似物，通过调节组织刚度和氧张力，能够特异性地调控胶原和蛋白聚糖的产生。这一成果为进一步研究 IVD 退变机制提供了重要依据，也为开发更先进的生物打印 IVD 模型奠定了基础。尽管目前的组织工程模型还无法完全模拟生理复杂性，但这些生物打印的 IVD 可作为强大的研究工具，用于测试基因功能、研究细胞间相互作用等。未来，研究人员将致力于提高模型的生理相关性，通过改进材料和生物制造方法，使模型能够承受生理载荷，并在体内环境中进行评估，以加速有效再生疗法的开发。
