工程化胸段脊髓类器官移植促进脊髓损伤后神经功能重建

本刊推荐：针对脊髓损伤修复中细胞异质性重建难题，研究团队通过LDH水凝胶支架诱导iPSC生成胸段特异性脊髓类器官(enTsOrg)。移植实验表明enTsOrg能形成具有节段特异性的运动神经元亚型，通过激活PTCH1/SHH通路和调控RA信号促进神经环路重构，显著改善瘫痪小鼠后肢运动功能。该研究为区域特异性类器官设计提供了新范式。

当脊髓受到严重损伤，神经通路的断裂往往导致永久性功能障碍。现有干细胞疗法面临重大挑战：移植细胞难以在复杂的损伤微环境中整合，更无法重建具有特定空间结构的神经环路。传统脊髓类器官(sOrg)虽能模拟基础神经结构，却缺乏真正的节段特异性和背腹轴(D-V)组织模式，使其修复效果受限。

针对这一难题，同济大学团队在《Nature Biomedical Engineering》发表创新研究，通过生物材料工程策略构建了胸段特异性脊髓类器官(enTsOrg)。该研究巧妙利用层状双氢氧化物(LDH)修饰的基质胶(Matrigel)支架，诱导人诱导多功能干细胞(iPSC)自组织形成具有明确胸段特征的三维类器官。移植实验证实，enTsOrg不仅能精准匹配损伤节段，还能建立功能性的突触连接，显著促进瘫痪动物的运动功能恢复。

研究团队主要采用四大技术体系：1）基于LDH-基质胶的3D类器官培养系统，通过时序调控形态发生素（包括LDN-193189、CHIR99021、视黄酸RA和嘌呤吗啡胺）诱导胸段特异性分化；2）多电极阵列(MEA)和膜片钳技术评估类器官神经电生理功能；3）空间转录组学(ST-seq)解析细胞异质性和区域特异性；4）建立免疫缺陷小鼠(M-NSG品系)全横断脊髓损伤模型，结合光遗传学调控、神经示踪等技术验证移植体整合机制。

Generation of enTsOrg with thoracic segmental characteristics

研究团队通过LDH材料工程化改造，成功构建出直径约1.5mm的胸段特异性脊髓类器官。扫描电镜显示enTsOrg中央密集分布神经元胞体，外周延伸出细长神经纤维。与普通sOrg相比，enTsOrg表达更高水平的胸段标志基因HOXC9⁺/ISL1⁺运动神经元（21天时达86.61%）。钙成像和膜片钳实验证实enTsOrg神经元具有更强的自发电位频率（1.84±0.44 Hz）和钠电流峰值（-1,004.71 pA），表明其成熟度显著提升。

enTsOrg transplantation facilitates hind-limb motor function restoration after complete thoracic SCI

在胸段完全性脊髓损伤小鼠模型中，移植21天龄enTsOrg组在14周内BMS评分显著改善（4周开始差异显著）。步态分析显示治疗组后肢步幅长度和站立时长明显增加，水平梯实验成功率提升至0.36（sOrg组仅0.13）。运动诱发电位(MEP)记录到26.70±8.46μV的波幅，证实神经传导功能恢复。免疫荧光显示移植区存在大量人源细胞（STEM121⁺），且神经纤维跨越损伤边界与宿主组织整合。

Enhanced neuron maturation in engrafted organoids

空间转录组分析发现，移植7周后enTsOrg中成熟神经元比例达67.76%，显著高于sOrg组。通过对比人胚胎脊髓发育数据，enTsOrg细胞群更接近Carnegie分期CS14（相当于胚胎5周），而sOrg停滞在CS12阶段。在体电生理记录到enTsOrg移植区存在明确的主神经元(P-PN)和抑制性中间神经元(P-IN)，其放电模式与假手术组相似，表明形成了功能化神经网络。

Cellular composition diversification and functional maturation in engrafted organoids

神经递质类型分析显示enTsOrg包含更丰富的功能性神经元亚群：胆碱能神经元（32.94%）、GABA能神经元、谷氨酸能神经元和多巴胺能神经元。光遗传学抑制实验证实，ChAT⁺神经元活性与运动功能恢复直接相关。值得注意的是，在移植后enTsOrg中检测到关键中间神经元Vsx2⁺/vGlut2⁺数量显著增加，该种群被证实对后肢行走功能重建至关重要。

Transplanted enTsOrg presents corresponding segmental and D-V patterning

空间转录组学证实移植后enTsOrg中89.35%的位点具有胸段特征，而sOrg仅57.08%。背腹轴分析显示enTsOrg成功复现了腹侧运动神经元（53%）和背侧中间神经元（dI4）的空间分布模式。免疫荧光验证NKX2.2⁺和FoxA2⁺细胞主要分布于腹侧，Pax2⁺细胞集中于背侧，符合生理性D-V组织规律。

Integration of enTsOrg transplants promotes the formation of specialized neurons for spinal cord repair

深入分析发现enTsOrg表达多种胸段特异性运动神经元柱标志物，包括前运动柱(PGC)、轴下运动柱(HMC)和内运动柱(MMC)。KEGG富集显示MN群体中轴突导向、泛素化蛋白酶体等通路显著激活。Western blot验证enTsOrg通过PI3K/AKT/GSK3β信号级联促进神经元存活，同时上调线粒体融合蛋白2(MFN2)和泛素C端水解酶L1(UCHL-1)，优化能量代谢和突触可塑性。

该研究突破性地将生物材料工程与类器官技术相结合，首次实现了脊髓类器官的精准节段匹配。LDH支架通过协同调控SHH和RA信号通路，不仅促进胸段特异性神经元分化，还激活了内源性修复机制。移植的enTsOrg能作为生物桥接，引导宿主神经轴突再生，重建感觉运动环路。这种"区域特异性类器官"策略为复杂神经系统损伤修复提供了新思路，推动类器官技术向临床转化迈出关键一步。