摘要
由于创伤或肿瘤消融引起的广泛性肌肉缺陷损伤的治疗面临着重大的临床挑战。据相关报道，超过20％原始质量损失的肌肉缺损会导致功能受损，再生能力有限，这需要进行重建性外科手术，例如自体肌皮瓣转移。然而，自体肌肉移植物的可用性有限和供体部位发病率成为临床治疗的障碍。目前，模拟天然骨骼肌的结构和功能特征的生物工程化骨骼肌构造是治疗广泛的肌肉缺损损伤的一种有前途的治疗选择。但是在植入的骨骼肌构建体中可能会因为宿主神经的整合延迟，导致不能支持缺损肌肉的完全恢复。生物工程化的骨骼肌组织的有效神经整合对于通过肌肉功能的恢复重建广泛受损的肌肉仍然是一个挑战。
因此，Anthony Atala和Sang Jin Lee团队采用3D生物打印策略开发了一种可植入且仿生的人体骨骼肌构建体与宿主神经网络快速整合，以加速体内功能性肌肉再生的作用。神经输入到该生物打印的骨骼肌结构中显示了体外肌纤维形成，长期存活和神经肌肉接头（NMJ）形成的改善。更重要的是，具有神经细胞整合的生物打印构建体有助于快速神经支配并成熟为有组织的肌肉组织，从而在肌肉缺损损伤的啮齿动物模型中恢复正常的肌肉重量和功能。
近期发表在Nature Communications杂志上题为“Neural cell integration into 3D bioprinted skeletalmuscle constructs accelerates restoration of muscle function”的文章，来自维克森林再生医学研究所的Anthony Atala和Sang Jin Lee团队。
图1 人类骨骼肌结构的生物打印
首先，为了检查神经细胞对骨骼肌分化的影响，研究团队将人类肌肉祖细胞（hMPCs）和人类神经干细胞（hNSCs）共培养。在二维（2D）共培养系统中优化骨骼肌细胞与神经细胞的比例，以进行进一步的3D生物打印实验。结果表明，在骨骼肌细胞培养物中引入神经细胞成分改善了肌管的分化和长期维持，hNSCs的神经元分化以及NMJ的形成。当神经细胞比例高于300：1时，神经细胞会阻止细胞融合，从而抑制肌管形成。所以hMPCs和hNSCs在肌管形成和长期维持方面的最佳比例为300：1。
图2人肌肉祖细胞（hMPCs）和人神经干细胞（hNSCs）的二维（2D）共培养比例不同。
然后，研究人员将hMPCs和hNSCs的300：1比例用于生物打印3D骨骼肌构建体。通过观察细胞活力，肌管形成能力和NMJ形成来进行生物打印的骨骼肌构造的体外评估。结果表明，具有神经细胞整合的生物打印构建体促进快速神经支配并成熟为有组织的肌肉组织，其在肌肉缺损损伤的啮齿动物模型中恢复正常的肌肉重量和功能。
图3 3D生物打印人骨骼肌构建体的体外评估
接下来，研究生物打印的骨骼肌构建体的神经支配能力。他们观察了在3D生物打印的肌肉结构中植入的hMPCs的NMJs形成能力。在植入区域（黄色箭头）中显示了HLA +细胞以及NF + / AChR + / MHC +肌纤维，证明hMPCs能够分化为肌纤维并形成与宿主神经整合的NMJ。所以生物打印的构造中的肌肉细胞和神经细胞之间的相互作用改善了生物工程化的肌纤维在体内的NMJ形成能力。
图4 神经整合到3D生物打印的骨骼肌构建体
最后，研究人员通过双重免疫荧光染色对Willebrand因子（vWF）/α平滑肌肌动蛋白（α-SMA）检测了植入结构的血管化情况。体内结果显示了植入的生物打印骨骼肌结构的有效神经整合和血管形成，从而加速了肌肉功能的恢复。本研究不包括体外生物打印骨骼肌构建体的可收缩性，未来也会研究收缩功能，例如生物工程构建体的抽搐和破伤风。
参考文献：NATURE COMMUNICATIONS | https://doi.org/10.1038/s41467-020-14930-9