由“行走”分子形成的上层结构可以帮助创造用于再生医学的神经元

想象一下，如果外科医生可以将健康的神经元移植到患有神经退行性疾病或大脑和脊髓损伤的病人身上。想象一下，如果他们可以在实验室里用一种适合3D打印的合成的、高度生物活性的材料，从病人自己的细胞中“培养”出这些神经元。

通过发现一种新的可打印生物材料，可以模拟脑组织的特性，西北大学的研究人员现在更接近于开发一个能够使用再生医学治疗这些疾病的平台。

该发现的一个关键因素是能够控制材料中分子的自组装过程，使研究人员能够从纳米尺度到可见特征尺度修改系统的结构和功能。塞缪尔·斯塔普的实验室在2018年的杂志上发表了一篇论文科学这表明，材料可以设计成具有高动态分子的程序，可以长距离迁移，并自组织形成更大的“超结构”纳米纤维束。

现在，由Stupp领导的一个研究小组已经证明，这些上层结构可以促进神经元的生长，这一重要发现可能会对神经退行性疾病(如帕金森病和阿尔茨海默病)以及脊髓损伤的细胞移植策略产生影响。

“这是我们第一次能够利用我们在2018年报道的分子重组现象，并将其应用于再生医学。”该研究的主要作者、西北大学辛普森奎雷研究所主任斯塔普说。“我们还可以使用新生物材料的结构来帮助发现治疗方法和了解病理。”

作为超分子自组装的先驱，Stupp也是材料科学与工程、化学、医学和生物医学工程的董事会教授，并在温伯格艺术与科学学院、麦考密克工程学院和范伯格医学院任职。

该论文于2021年2月22日发表在该杂志上先进的科学．

行走分子和3D打印

这种新材料是通过混合两种液体而制成的，这两种液体由于化学上称为宿主-客体复合物的相互作用而迅速变得坚硬，这种相互作用模仿了蛋白质之间的锁相互作用，也是由于这些相互作用通过“行走分子”的长尺度迁移而在微米尺度区域集中。

灵活的分子要跨越比自身大几千倍的距离，才能结合成大型的上层结构。在微观尺度上，这种迁移导致了结构上的转变，从看起来像一块未煮熟的拉面变成了像绳子一样的束。

“医学中使用的典型生物材料，如聚合物水凝胶，不具备分子自组装和在这些组装中移动的能力，特里斯坦·克莱蒙斯(Tristan Clemons)说，他是斯特普实验室的研究助理，也是该论文的第一作者之一，亚历山德拉·埃德尔布洛克(Alexandra Edelbrock)曾是该小组的研究生。“这种现象是我们在这里开发的系统独有的。”

此外，当动态分子移动形成上层结构时，大孔隙打开，允许细胞穿透并与生物活性信号相互作用，这些信号可以整合到生物材料中。

有趣的是，3D打印的机械力破坏了上层结构中的主客体相互作用，导致材料流动，但它可以迅速固化成任何宏观形状，因为相互作用是通过自组装自发恢复的。这也使得具有不同层的结构的3D打印能够容纳不同类型的神经细胞，以便研究它们的相互作用。

信号神经元生长

这种材料的上层结构和生物活性特性可能对组织再生产生巨大影响。神经元受到中枢神经系统中一种被称为脑源性神经营养因子(BDNF)的蛋白质的刺激，这种蛋白质通过促进突触连接和使神经元更具可塑性来帮助神经元存活。BDNF对于患有神经退行性疾病和脊髓损伤的患者可能是一种有价值的治疗方法，但这些蛋白质在体内降解得很快，生产成本很高。

新材料中的一种分子整合了这种蛋白质的模拟物，可以激活其受体Trkb，研究小组发现，当模拟信号存在时，神经元积极地穿透大孔隙，并填充新的生物材料。这也可以创造一个环境，使从患者来源的干细胞分化出来的神经元在移植前成熟。

现在，该团队已经将概念验证应用于神经元，Stupp相信他现在可以通过在材料上应用不同的化学序列来进入再生医学的其他领域。生物材料中简单的化学变化将使它们能够为广泛的组织提供信号。

“软骨和心脏组织在受伤或心脏病发作后很难再生，而这个平台可以用来从病人来源的细胞中体外制备这些组织，斯塔普说。这些组织可以被移植来帮助恢复失去的功能。除了这些干预之外，这些材料还可以用来构建类器官来发现治疗方法，甚至可以直接植入组织中进行再生，因为它们是可生物降解的。”

这项工作得到了西北大学辛普森奎雷研究所再生纳米医学中心、美国国家科学基金会研究生研究奖学金和美国澳大利亚协会奖学金的支持。