《Materials Today Bio》：Spinal cord extracellular matrix hydrogel enhances organoid maturation and functional regeneration after spinal cord injury
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干细胞治疗已被广泛研究作为脊髓损伤（SCI）的一种有前景的治疗方法。然而，缺乏用于解决SCI的干细胞治疗的功能性支架导致移植细胞存活率低，从而限制了治疗效果。为了解决这些挑战，本研究旨在利用模拟脊髓特异性微环境的细胞外基质（ECM）来增强脊髓类器官（SCOs）
干细胞治疗已被广泛研究作为脊髓损伤（SCI）的一种有前景的治疗方法。然而，缺乏用于解决SCI的干细胞治疗的功能性支架导致移植细胞存活率低，从而限制了治疗效果。为了解决这些挑战，本研究旨在利用模拟脊髓特异性微环境的细胞外基质（ECM）来增强脊髓类器官（SCOs）的再生潜力。脱细胞的脊髓源性ECM（ScEM）支持人诱导多能干细胞（iPSC）衍生的SCOs的三维（3D）培养、发育、成熟和功能，其效果与Matrigel（MAT）等标准类器官培养基质相当。使用ScEM水凝胶移植SCOs可促进病变中轴突再生伴新生血管形成，这可能是由于ScEM促进了移植的SCOs在缺陷组织中的植入和整合。因此，该方法诱导了SCI动物早期的运动功能恢复。这些发现表明，能够提供脊髓微环境复杂性的功能性ECM支架可以增强基于类器官的SCI治疗。
论文解读：脊髓源性ECM水凝胶赋能脊髓类器官治疗脊髓损伤
研究背景与立项依据
创伤性脊髓损伤（SCI）由原发性机械创伤引发，导致脊髓结构完整性破坏，继而触发神经炎症、氧化应激和继发性神经元死亡等复杂的级联反应，形成阻碍再生的不利微环境。尽管干细胞移植被视为极具前景的治疗策略，但传统的单细胞移植方法因缺乏功能性支架支持，导致移植细胞存活率低、难以整合，严重限制了疗效。近年来，三维（3D）细胞构建体如脊髓类器官（SCOs）因其能模拟脊髓的细胞组成和三维结构而备受关注。然而，现有的常规支架（如源于小鼠肿瘤的Matrigel）不仅无法完全提供神经发育所需的复杂ECM微环境，还存在临床转化的安全隐患。因此，开发高度生物相容且具有组织特异性的ECM支架，对于优化SCO的培养及移植治疗至关重要。
关键技术方法概述
研究人员通过优化的去细胞化方案从猪脊髓组织中制备了脱细胞脊髓ECM（ScEM），并利用液相色谱串联质谱（LC-MS/MS）进行了蛋白质组学分析，以表征其成分并与Matrigel及人脊髓组织进行对比。在体外，通过免疫荧光染色和实时定量聚合酶链式反应（qPCR）评估了不同浓度ScEM水凝胶对hiPSC衍生的SCOs发育、成熟及电生理功能的影响。在体内，建立了雌性Sprague-Dawley大鼠的挫伤型SCI模型，于损伤后7天（亚急性期）分别注射ScEM水凝胶单独治疗或联合SCOs（SCO-ScEM）进行治疗，并通过BBB运动评分、组织学染色（H&E、LFB、免疫荧光）评估其行为学恢复和结构修复效果。
研究结果
3.1. 脱细胞脊髓ECM（ScEM）衍生水凝胶的制备
研究人员成功制备了ScEM水凝胶。组织学分析证实去细胞化过程有效移除了细胞成分，同时保留了糖胺聚糖（GAG）、胶原及纤维连接蛋白等关键ECM组分。流变学测试显示ScEM水凝胶具有浓度依赖性的弹性模量，扫描电镜（SEM）观察揭示了其内部纳米纤维结构。体内外生物相容性测试表明，ScEM水凝胶内毒素水平低，不引发显著的炎症反应，并能促进M2型巨噬细胞的极化，显示出优异的生物安全性。
3.2. 基于蛋白质组学分析的ScEM生物学功能与角色表征
蛋白质组学分析显示，ScEM包含的脊髓富集蛋白和ECM成分数量显著多于Matrigel，其蛋白组成更接近人脊髓组织。基因本体（GO）富集分析进一步揭示，ScEM中独有的蛋白质主要参与神经系统发育、ECM组织、再生及血凝等生物过程。这些数据表明ScEM在分子水平上比Matrigel更能复现脊髓特异性的微环境。
3.3. ScEM水凝胶支持人SCOs的成熟与功能
通过浓度梯度筛选，确定1 mg ml-1为SCOs培养的最佳ScEM浓度。在此条件下，ScEM培养的SCOs在神经祖细胞标志物（SOX2、OLIG2、NKX6.1）及成熟神经元标志物（MAP2、TUJ1）的表达上与Matrigel组相当。与其他组织源性ECM（肝、肠、胃、肌肉）相比，只有ScEM能持续支持SCOs的生长和神经分化。此外，在ScEM中培养的SCOs表现出成熟的电生理活性，其膜片钳记录显示了典型的动作电位。
3.4. SCOs联合ScEM水凝胶移植促进SCI模型的结构与早期功能改善
在雌性Sprague-Dawley大鼠SCI模型中，移植SCO-ScEM组的BBB运动评分显著高于未治疗组和单用ScEM组。组织学分析显示，SCO-ScEM治疗显著减小了损伤腔面积，增加了髓鞘碱性蛋白（MBP）的表达和髓鞘化程度。这表明SCO-ScEM治疗能有效促进结构修复和早期运动功能的恢复。
3.5. SCO-ScEM治疗促进轴突整合并调节损伤部位的微环境
免疫荧光染色显示，移植的GFP标记的SCOs与宿主神经丝重链（NF-H）共定位，且在损伤边界处观察到突触后致密蛋白（PSD95）与人特异性突触素（HuSyn）的共表达，提示移植细胞与宿主轴突可能形成了突触连接。此外，SCO-ScEM治疗显著降低了损伤部位促炎巨噬细胞（CD68+Iba-1+）的比例，并增加了抗炎表型，有效调节了损伤后的免疫微环境。
结论与意义
该研究成功开发了一种基于猪脊髓组织的脱细胞ECM水凝胶（ScEM），其不仅在体外能有效支持hiPSC衍生的脊髓类器官（SCOs）的发育、成熟及电生理功能，而且在体内移植后能显著促进轴突再生、髓鞘重建及新生血管形成，同时调节损伤微环境向抗炎方向转化，最终诱导SCI动物模型早期运动功能的恢复。这项工作证实了组织特异性ECM支架在模拟脊髓微环境复杂性方面的关键作用，为基于类器官的脊髓损伤再生疗法提供了强有力的功能性生物材料平台，具有重要的临床转化潜力。该研究成果发表于《Materials Today Bio》。
