3D生物打印神经祖细胞构建体促进体外脑整合及神经元-星形胶质细胞定向分化研究

本研究针对神经组织工程中细胞分化调控难题，开发了GelMA/P-127复合生物墨水，通过3D挤出生物打印技术构建hiPSC-NPCs支架。该体系无需外源因子即可实现神经元(TUBB3+/NeuF-M+)与星形胶质细胞(GFAP+)的机械响应性分化，并证实与离体脑切片的功能整合，为神经再生医学提供了新型可调平台。

　　

在神经再生医学领域，人类诱导多能干细胞(hiPSCs)衍生的神经祖细胞(NPCs)因其双向分化潜能备受关注，但传统二维培养难以模拟体内微环境，且分化方向难以精确控制。更棘手的是，移植后的NPCs在损伤中枢神经系统(CNS)中往往优先分化为星形胶质细胞而非功能性神经元，这严重制约了神经修复效果。与此同时，现有生物材料在支持三维神经组织结构形成、维持打印稳定性和促进特定谱系分化等方面仍存在明显短板。

针对这些挑战，来自圣保罗大学人类基因组与干细胞研究中心的研究团队在《Bioprinting》发表了一项突破性研究。他们创新性地将温度响应性聚合物泊洛沙姆P-127引入光交联明胶甲基丙烯酰(GelMA)体系，开发出具有机械可调特性的复合生物墨水，通过3D挤出生物打印技术成功构建了hiPSC-NPCs三维培养系统。令人振奋的是，该体系仅通过基质力学调控就实现了神经元与星形胶质细胞的定向分化，并与离体脑组织建立了功能性神经连接，为神经组织工程提供了全新解决方案。

关键技术方法
研究采用31岁健康男性供体的hiPSCs(F7007系)进行NPC定向分化。通过流变学测试筛选5-10% GelMA与0.5-1.5% P-127的最佳配比，采用405nm紫光交联构建3D打印支架。力学表征采用原子力显微镜(AFM)测定杨氏模量(1-8kPa)，免疫荧光检测GFAP/NeuF-M/TUBB3表达谱，钙成像评估神经元电活动，qPCR分析SOX2/MAP2等基因表达变化，并通过共培养实验验证与SD大鼠脑切片的整合能力。

研究结果

P-127增强GelMA生物墨水的凝胶化与可打印性
流变学分析显示，含1% P-127的10% GelMA复合物在25°C时储能模量(G')提升3倍，实现室温稳定挤出。微CT显示P-127使孔径分布更均匀(50-200μm)，降解速率延缓40%，这些特性共同保障了打印结构的形状保真度与细胞存活率(>90%)。

机械特性调控细胞命运
AFM检测发现P-127浓度与基质刚度呈正相关。在6kPa刚度组，GFAP⁺星形胶质细胞比例达68±5%，显著高于1kPa组的23±4%；而NeuF-M⁺神经元在软基质(1kPa)中占比提高2.3倍。基因表达谱显示，硬基质中GFAP上调4.2倍，SOX2下调83%，证实力学信号可驱动NPC退出干性状态。

功能性神经网络形成
钙瞬变分析显示分化神经元具有自发同步放电活动，信号传导速度达120μm/ms。共培养14天后，生物打印体与脑切片间出现β_III-微管蛋白(TUBB3⁺)阳性神经突触连接，突触素(SYP)表达量增加7倍，证实形成了功能性突触。

讨论与意义
该研究首次证实GelMA/P-127复合基质可通过纯物理线索调控NPC命运抉择：较硬基质(6-8kPa)通过激活机械转导通路促进星形胶质细胞分化，适合创伤修复研究；而较软基质(1-3kPa)更利于功能性神经元产生，为神经退行性疾病建模提供理想平台。尤为重要的是，该生物打印系统实现了与宿主神经组织的无缝整合，其自发分化特性避免了外源因子干预的不可控风险。这项由Oswaldo Keith Okamoto团队完成的工作，不仅为神经再生医学提供了可批量生产的标准化3D模型，更开创了"力学微环境编程细胞命运"的新范式，在脑机接口、药物筛选和个性化医疗等领域具有广阔应用前景。