《Engineering》：Programmable Controlled-Release Bionic Spinal Cord Graft Promotes Repair and Functional Recovery after Spinal Cord Injury
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现有脊髓损伤（spinal cord injury, SCI）修复策略受限于实验模型与干预手段的不足。尽管干细胞、生物材料及电磁刺激在动物模型中显示出潜力，但其临床转化效果有限。本研究基于仿生神经组织工程理念，针对SCI修复复杂的时空特征，构建了以丝素蛋白（s
现有脊髓损伤（spinal cord injury, SCI）修复策略受限于实验模型与干预手段的不足。尽管干细胞、生物材料及电磁刺激在动物模型中显示出潜力，但其临床转化效果有限。本研究基于仿生神经组织工程理念，针对SCI修复复杂的时空特征，构建了以丝素蛋白（silk fibroin, SF）和胶原（collagen, COL）为拓扑支架的可编程控释仿生脊髓移植物（programmable controlled-release bionic spinal cord graft, PBC）。研究人员采用微流控载药微球技术，并利用人源干细胞来源的外泌体（exosomes, EXOs）和细胞外基质（extracellular matrix, ECM）双重调控，使移植物可持续释放神经营养因子，为SCI修复提供有利的再生微环境。在小鼠T10节段3 mm半切SCI模型中，该移植物促进了损伤脊髓的组织修复、血管重塑、感觉与运动功能重建、膀胱功能恢复及肌肉萎缩逆转。本研究提出了一种利用可编程控释仿生脊髓移植物有效修复损伤脊髓的新策略，结果表明其在人类脊髓修复与功能重建方面具有应用潜力。
一、研究背景与意义
脊髓损伤（spinal cord injury, SCI）是一种导致感觉、运动功能不可逆损害的严重致残性疾病，全球患者基数庞大且新发病例持续增加。现有临床治疗以早期手术减压、大剂量糖皮质激素静脉输注及康复训练为主，难以应对SCI后复杂的病理生理级联反应与微环境失衡。单一治疗手段无法充分干预SCI漫长且多阶段的病理过程，而既往的多因子联合或生物材料支架虽在啮齿类及非人灵长类动物模型中取得一定效果，却未能在临床人体试验中稳定复现。因此，亟需开发能够响应SCI复杂时空病理特征的、可进行程序化与时相性调控的仿生修复策略。天津大学（Tianjin University）Chengcheng Luan、Qi Shan、Wei Shi等研究人员在Xiaosong Gu、Songlin Zhou及Dong Ming指导下，设计并制备了一种可编程控释仿生脊髓移植物（programmable controlled-release bionic spinal cord graft, PBC），整合仿生拓扑支架、微流控载药微球、人脐带间充质干细胞（human umbilical cord mesenchymal stem cells, hUC-MSCs）来源细胞外基质（extracellular matrix, ECM）及外泌体（exosomes, EXOs），旨在原位重建利于神经再生的微环境，实现脊髓组织修复与感觉、运动及膀胱功能重建。该研究成果发表于《Engineering》。
二、主要关键技术方法
研究人员以丝素蛋白（silk fibroin, SF）与Ⅰ型胶原（collagen type I, COL）制备具沟槽状微纳米拓扑结构的管状支架，将神经营养素-3（neurotrophin-3, NT3）通过轻链偶联于SF实现长效缓释，同时将神经生长因子（nerve growth factor, NGF）负载于支架；采用微流控技术制备包裹环孢素A（cyclosporine A, CsA）的甲基丙烯酰化明胶（gelatin methacryloyl, GelMA）微球并组装于支架内部；提取hUC-MSCs来源ECM包被于移植物外层，吸附hUC-MSCs来源EXOs完成PBC构建。取8～10周龄雌性C57BL/6小鼠建立T10右侧3 mm半横断（hemisection）SCI模型，植入3 mm PBC作为实验组，未植入移植物仅缺损者为阴性对照（normal control, NC组），假手术（Sham）组仅咬除椎板。术后通过Basso小鼠评分（Basso Mouse Scale, BMS）、CatWalk步态分析、水平梯测试、精细关节运动学分析评估运动功能；记录膀胱自发排尿恢复时间并行麻醉下膀胱测压及组织学评价；通过逆行跨突触伪狂犬病毒（pseudorabies virus, PRV）示踪及顺向腺相关病毒（adeno-associated virus serotype 9, AAV9）/单纯疱疹病毒（herpes simplex virus, HSV）H129示踪验证神经环路重建；取损伤区脊髓组织行转录组测序（RNA-seq）与加权基因共表达网络分析（weighted gene co-expression network analysis, WGCNA）；体外以PC12细胞、RAW264.7巨噬细胞及人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells, HUVECs）进行细胞活性、迁移、M2极化及成管实验验证PBC生物活性。
三、研究结果
3.1. Construction and characterization of PBC
PBC呈沟槽"T"形拓扑结构，内置CsA-GelMA微球，外覆多孔hUC-MSC-ECM。其1 h内达溶胀平衡，流变学储能模量（storage modulus, G′）与损耗模量（loss modulus, G″）接近天然小鼠脊髓，溶血率<5％，生物安全性良好。PC12细胞可沿SF-COL支架贴附延伸。植入小鼠体内后与宿主组织良好整合，12周时损伤区组织密度增加。荧光示踪显示CsA可持续释放>1周，hUC-MSC-EXOs可存留≈3周，SF-NT3与NGF可从支架中持续释放达6周。体外共培养证实PBC显著提升PC12细胞活力与迁移能力，诱导RAW264.7向M2型巨噬细胞极化，并促进HUVECs管腔总长度与节点数增加，具促血管生成作用。
3.2. PBC effectively restored motor function after SCI
小鼠T10半切模型植入PBC后，BMS评分于3周起显著优于NC组，12周时达6分（患侧后爪负重支撑、足底着地行走）；CatWalk显示患侧后肢步长、最大接触面积、摆动速度及步序规律性显著改善；水平梯测试正确踩踏率达≈60％；关节运动学分析示髋、膝、踝关节角度接近正常。腓肠肌湿重比在NC组下降≈40％（萎缩），PBC组无明显萎缩；肌内运动终板与神经纤维重新 innerv。运动诱发电位（motor evoked potential, MEP）振幅在PBC组显著恢复，证实皮质-脊髓运动传导通路重建。机械与热痛觉检测显示感觉功能亦有恢复。
3.3. PBC effectively restored bladder function after SCI
PBC组损伤区酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase, TH）阳性轴突及胞体较NC组明显增多。膀胱壁注射PRV-CAG-3M逆行示踪可见信号跨越损伤区到达头侧及尾侧脊髓节段，并标记脑内排尿控制中枢——导水管周围灰质（periaqueductal gray, PAG）与脑桥排尿中枢（pontine micturition center, PMC），表明脑-脊髓-膀胱神经环路重建。麻醉下膀胱测压示PBC组膀胱容量、逼尿肌内压及排尿效率恢复正常，NC组呈高容量低压力排尿障碍。组织学示PBC组膀胱壁厚度与肌束排列基本正常，NC组膀胱壁增厚伴胶原（collagen, COL）沉积增加。
3.4. PBC established a microenvironment conducive to neural regeneration
PBC植入后损伤区M1型巨噬细胞比例降低、M2型比例升高，并持续至12周；抗炎因子精氨酸酶-1（arginase-1, ARG-1）、白细胞介素-10（interleukin-10, IL-10）及转化生长因子-β（transforming growth factor-β, TGF-β）mRNA表达上调。星形胶质细胞标志物胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein, GFAP）及小胶质细胞标志物离子钙结合适配分子1（ionized calcium-binding adapter molecule 1, IBA-1）染色显示胶质瘢痕形成明显减少，微环境更利于轴突再生。
3.5. PBC promoted axonal regeneration and neural circuit reconstruction after SCI
TUJ1（class III β-tubulin）阳性轴突在PBC组损伤区及跨越损伤前后缘显著多于NC组，三维（three-dimensional, 3D）透明成像证实再生轴突穿过缺损区。CD31标记血管显示损伤区血管重塑增强。AAV9顺向示踪见运动皮质起源纤维跨越损伤区与尾侧胆碱乙酰转移酶（choline acetyltransferase, ChAT）阳性运动神经元形成突触连接；HSV H129与PRV双示踪证实感觉-运动信号可双向穿越损伤区，神经环路功能性重建。
3.6. Spatiotemporal regulation of injured spinal cord repair using PBC
RNA-seq与WGCNA将小鼠SCI修复分为早期（0–1周）、准备期（1–6周）、中期（6–9周）及稳定期（9–12周）。PBC组中早期炎症激活被CsA与EXOs抑制，细胞黏附相关通路因ECM包被而富集；准备期血管发育及肌、泌尿、感觉系统发育相关基因上调；中期内源性干细胞分化相关基因富集；稳定期神经元再生与发育相关基因持续上调（得益于SF-NT3/NGF长效缓释），而NC组稳定期以胶质细胞分化（胶质瘢痕）基因为主。血管生成与轴突再生相关基因在损伤后1–3周及9周出现双峰上调。免疫相关基因趋势印证PBC长效M2巨噬细胞极化调控及胶质瘢痕抑制。
四、讨论与结论总结
讨论指出，传统单层神经支架无法实现多阶段精准干预，而PBC的分层复合结构（SF-COL基底+CsA-GelMA微球+ECM/EXOs涂层）通过物理屏障效应实现多活性物质分阶段释放：早期CsA快速释放抑制急性炎症，ECM与EXOs协同建立再生微环境；早中期EXOs、NGF与NT3持续发挥免疫调节、促血管生成及促轴突生长作用；中后期SF-NT3与NGF从SF-COL支架稳定缓慢释放维持长期神经营养支持。沟槽拓扑结构引导轴突定向生长，适度交联赋予抗溶胀与匹配降解性。PBC通过下调M1/M2比值抑制继发性损伤与胶质瘢痕，促进血管网络重建并作为轴突生长的物理向导，最终使再生轴突跨越3 mm缺损并形成功能性突触连接，恢复运动、感觉及膀胱自主神经支配，逆转靶肌萎缩。此外，PBC在准备期激活内源性干细胞相关通路，提示可能存在内源性修复"中继站"效应。
结论（Conclusions）翻译：
SCI后的修复与功能恢复是现代神经科学、临床医学、生物材料学、组织工程学与再生医学长期面临的挑战。为应对SCI多面性的病理生理特征，研究人员开发了具备活性因子时空控释功能的可编程仿生脊髓移植物系统。该系统集仿生拓扑支架、细胞因子、载药微球、人源EXOs与ECM于一体，可精确响应SCI复杂发病机制。其核心优势在于精确的时空序贯调控：损伤早期，微球中CsA快速释放以有效抑制急性炎症，同时ECM与EXOs协同建立有利再生微环境；损伤中期，EXOs、NGF与NT3的持续释放产生长期免疫调节、促血管生成及促轴突再生效应；损伤后期，NGF与NT3的稳定释放为轴突重塑与血管成熟提供持续神经营养支持。此外，SF-COL仿生拓扑支架凭借优良力学性能与定向微沟槽结构提供机械支撑并引导轴突定向生长。通过多维协同调控，该系统在重度小鼠半切（3 mm, T10）模型中主动促进损伤区再生，实现强效神经修复与血管重建，并使治疗小鼠恢复感觉运动功能与膀胱控制，逆转后肢肌肉萎缩。综上，本研究超越被动支架理念，通过神经组织工程途径整合控释系统，确立可编程释放为支架设计新标杆；通过对损伤微环境的时空调制，在严重脊髓损伤模型中实现优异功能恢复，使控释移植物成为具临床转化潜力的候选方案。
