第一作者：李艺玮、张铁元

通讯作者：李东亮教授、刘宏教授、周恒星教授、仇吉川教授

通讯单位：山东大学齐鲁医院、山东大学晶体材料研究院

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202530882

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脊髓损伤（SCI）后的神经再生困难常导致永久性功能障碍。虽然三维干细胞球体技术能模拟体内环境、助力神经修复，但仍面临细胞外基质（ECM）支持不足、营养物质扩散受限及细胞定向分化困难等问题。针对这些缺陷，本研究开发了一种简单、高效的天然胶原微纤维制备方法。通过冷冻切片与脱细胞处理，获得了结构完整、保留天然周期性条带与三螺旋结构的胶原微纤维。它们可与神经干细胞（NSCs）自组装形成具有纤维网络结构的工程化NSCs球体，充当NSCs球体中的ECM，显著缓解球体内部缺氧、提升细胞存活率并增强ECM-细胞相互作用。更重要的是，胶原微纤维可作为药物缓释“储库”，负载神经元分化诱导剂DAPT实现超过19天的持续释放，高效引导NSCs向功能性神经元分化并形成功能性的神经微组织。动物移植实验进一步表明，该工程化球体显著提高了NSCs在损伤部位的存活与保留，DAPT负载球体进一步促进了神经分化，从而有效改善了脊髓组织修复与运动功能恢复。本研究为构建仿生神经微组织及治疗SCI等中枢神经系统疾病提供了全新的材料平台与治疗策略。

背景介绍

SCI修复是再生医学领域的重大挑战。基于NSCs的三维球体移植被视为一种有前途的治疗策略。但球体内部紧密排列的细胞结构本质上限制了ECM-细胞相互作用以及球体内氧气和养分的扩散，易导致细胞坏死核心的形成。更重要的是，这一固有特性还限制了对球体内干细胞命运的精准调控。胶原蛋白是ECM中最主要的纤维状结构成分，其独特的周期性纳米条带结构，对调控细胞行为以及引导组织再生重塑具有不可替代的作用。但遗憾的是，目前常规制备的胶原蛋白多呈分子均质溶液形式，其天然纤维结构遭到破坏，难以直接整合到细胞球体中，也无法重现体内胶原原纤维与细胞间天然的纤维状有序组织。因此，开发一种能保留天然结构、并可整合至三维细胞球体内部的胶原微纤维材料，已成为构建工程化干细胞球体、推动SCI治疗取得突破的关键所在。

研究出发点

1）材料创新：采用简单的“低温切片-去细胞”两步法，制备出结构完整的胶原微纤维。该纤维不仅保留了胶原固有的周期性条带和三螺旋结构，且在水相中分散均匀。它们能够与NSCs高效自组装，形成工程化NSCs球体。在球体内部，胶原微纤维构建出纤维网络，减少细胞坏死、增强ECM-细胞相互作用，显著提升细胞活力。

2）球体内细胞的分化调控：球体中的胶原微纤维可作为储存和释放分化调节剂的平台，精确引导NSCs向神经元分化，形成具有功能性的神经微组织，神经微组织之间可以相互连接，进而形成强大的神经网络。

3）治疗应用：胶原微纤维工程化干细胞球体可以通过微注射植入SCI受损部位。这些胶原微纤维提高了受损部位NSCs的存活率，而富含分化调节剂的胶原微纤维能进一步促进NSCs的神经分化，从而在4周内改善脊髓组织修复和运动功能恢复。

图文解析

1. 完整周期结构的胶原微纤维的制备与表征

研究团队创新性地采用垂直于胶原纤维轴向的低温切片技术，通过温和去细胞化处理，使材料自然解离成大量分散的胶原微纤维。表征结果显示，所获得的胶原微纤维保留了天然的周期性条带和三螺旋结构，长度均匀（约20 μm），直径分布在100-400 nm之间，能在水中稳定分散，并具备大规模制备的潜力。这些胶原微纤维能与NSCs通过自组装方式，形成工程化NSCs球体，其中胶原微纤维均匀分布于细胞间隙，有效模拟了天然神经组织中ECM与细胞的相互作用关系，显著改善了球体内部的细胞微环境。

图1. 跟腱组织的多级结构及胶原微纤维的制备

2. 引导定向分化，构建功能性神经微组织

在此基础上，研究团队进一步利用胶原微纤维的药物负载与缓释能力，将其作为分化调控平台。通过将γ-分泌酶抑制剂DAPT负载于胶原微纤维上，成功制备了DAPT-胶原微纤维-NSCs工程化球体。DAPT能够从胶原微纤维中持续释放超过19天，有效引导NSCs向神经元方向分化。利用钙成像实验进一步证实，这些神经元在KCl去极化刺激下能产生同步的钙离子内流，表明其膜上具备功能性电压门控钙离子通道。同时，星形胶质细胞标志物GFAP表达正常，形成了包含功能性神经元与星形胶质细胞的功能性神经微组织。

图2. 工程化NSCs球体内的神经元分化

3. 工程化NSCs球体促进脊髓损伤修复

在脊髓半横断小鼠模型中，移植所构建的工程化NSCs球体显著促进了SCI小鼠的运动功能恢复与脊髓组织修复。体内示踪结果表明，胶原微纤维-NSCs球体使移植神经干细胞在损伤区的存活率提升约2.2倍，并有效抑制了星形胶质细胞瘢痕的形成。进一步使用负载DAPT的胶原微纤维-NSCs球体则表现出更强的修复效能：不仅将神经元分化效率提高约2.0倍，还将星形胶质细胞瘢痕形成抑制至单纯NSCs移植组的60%，在结构再生与功能恢复方面均实现显著改善。

图3.移植胶原微纤维工程化球体后SCI小鼠的组织修复

总结与展望

本研究创新性地提出了一种简便制备具有完整周期结构胶原微纤维的新方法，并开创性地将其作为可负载药物的活性仿生ECM，与NSCs自组装形成功能增强的工程化NSCs球体。该策略解决了传统干细胞球体的ECM支持缺失、内部缺氧坏死和分化调控困难三大难题，实现了体外构建功能性神经微组织，并在SCI模型中显著促进神经再生、抑制胶质瘢痕、恢复运动功能。这项工作不仅为神经组织工程提供了一种强大的新型细胞微载体构建平台，其“保留天然结构的ECM微原纤维+可控药物释放”的设计理念，也为治疗SCI、帕金森病、脑损伤等多种中枢神经系统疾病开辟了极具前景的通用型细胞治疗新路径。

课题组介绍

仇吉川教授个人主页：https://faculty.sdu.edu.cn/qiujichuan/zh_CN/index.htm

刘宏教授个人主页：https://faculty.sdu.edu.cn/liuhong6/zh_CN/index.htm

原文信息

Y. Li, T. Zhang, W. Wang, L. Wang, K. Li, S. Wang, C. Li, C. Zou, Y. Sang, D. Li, H. Liu, H. Zhou, J. Qiu, Facile Fabrication of Uniform Collagen Micro-Fibrils for Engineering Stem Cell Spheroids and Spinal Cord Injury Repair. Adv. Funct. Mater. 2026, 0, e30882.