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2021-03-16生物材料新突破,以3D列印誘導神經細胞生長 471 期

Author 作者 編譯|陳亭瑋。
未來再生醫學有機會在體外培養神經細胞,再將其植入受損的神經系統中嗎?近期新發表的分子材料,為這樣的未來開啟了一線曙光。西北大學( Northwestern University)的研究團隊發展出可用於3D列印的分子材料,關鍵成分中含有能控制自組合(self-assemble)步驟的分子,使研究人員得以調控其功能與結構,由奈米層級至肉眼可見的範圍。材料中再嵌入生物訊號則能誘導神經細胞生長,進一步發展或有模仿大腦組織的潛力,未來或可用於再生醫學。

2018年,西北大學材料科學化學及醫學董事會教授, 斯圖普(Samuel I. Stupp)於《科學》(Science)發表了一種特殊的分子材料,此類分子可經設計編碼,移動一定的距離後再自組為奈米纖維,並組成具有空隙的「超級結構」(suberstructure)。

斯圖普領導的研究團隊最新發表的成果,則在此超級結構中嵌入適當的生物訊號,誘發神經生長。對於治療神經退化性疾病,如帕金森氏症、阿茲海默症,或是脊隨損傷,這樣的成果提供了像是神經移植策略潛在可能性。

「這是我們將2018年報告的分子改組(molecular reshuffling)應用於再生醫學的第一個案例。」斯圖普在西北大學發布的新聞稿中表示:「也可運用新材料建構,協助發現療法與了解病理。」

斯圖普最著名的研究之一,就是雙極性胜肽分子(peptide amphiphiles),自組裝奈米纖維,於再生醫學有重要貢獻;並且在超分子化學、奈米以及有機電子材料技術領域也有著傑出的研究成果。

新發表的材料主要由兩種液體混合快速硬化而成,雙極性胜肽分子與寡核苷酸(oligonucleotides)共軛結合, 組成電性互補的胜肽鍊。雙極性胜肽分子上的β環糊精(β cyclodextrin)以及金剛烷(adamantane)兩者的動態交換與主客分子作用(hos t -guest interaction),使超結構成為成束的奈米纖維。這些分子會互相覆蓋、結合在一起,成為大型的超級結構。在微觀尺度上,這樣的移動造成結構上的變化,看起來就像由乾麵條變成繩索狀。

這樣的材料屬於相對堅固的水凝膠(hydrogel),受到特定的壓迫剪力會破壞其結構而得以流動,爾後在短時間內自行連結成束,因此可應用於3D列印,甚至可以維持形狀與分層樣式。除此之外,此材料的分子形成超級結構的過程中,會留有一部分的孔隙,非常適合生物細胞的滲透、整合為生物材料。

研究團隊嘗試在新材料中加入生物訊號,以驗證此材料是否可應用於神經細胞的培養。

中樞神經系統中,有種被稱為腦源性神經營養物質(brain- derived neurotrophic factor, BDNF)的蛋白質,會刺激神經元生長、促進突觸連結、使其更具彈性、協助生存。BDNF有機會作為神經退化疾病或是脊髓損傷的重要療法,但這類蛋白質生產成本昂貴,且在體內代謝快速,尚難以作為藥品使用。

新材料中嵌有分子模擬BDNF,能夠刺激神經元上的BDNF受器。存在此模擬信號時,神經元會活化穿透孔洞,填充進生物材料中。除了可用於培養神經,也可創造讓幹細胞成熟分化的環境,未來有應用於移植的潛力。

本次的發表已證明應用於神經元的概念可行,未來如可加入不同的化學訊號,將突破更多種再生醫學上的應用。生物材料可透過簡單的更換不同的化學訊號,提供適合不同種組織的不同訊號。


「在受傷或心臟病發後,軟骨與心肌組織很難再生。這樣的平台可以協助體外製備這樣的組織。」斯圖普說:「這些組織可以移植以協助回覆失去的功能。除了這些療法以外,這個材料也可以協助建構器官以研究療程,或甚至直接植入組織中協助再生,因為這是可生物分解的材料。」

新聞來源
1. Alexandra N. Edelbrock,et al., Superstructured Biomaterials Formed by Exchange Dynamics and Host– Guest Interactions in Supramolecular Polymers, Advanced Science, 2021.
2. 'Walking' molecule superstructures could help create neurons for regenerative medicine, Science Daily, 2021/2/23.
3. Superstructures formed by ‘walking’ molecules could help create neurons for regenerative medicine, NORTHWESTERN NOW, 2021/2/23.