Neural stem cells (NSCs) expressing GFP were embedded into fibrin matrices containing growth factor cocktails and grafted to sites of severe spinal cord injury. Grafted cells differentiated into multiple cellular phenotypes, including neurons, which extended large numbers of axons over remarkable distances. Extending axons formed abundant synapses with host cells. Axonal growth was partially dependent on mammalian target of rapamycin (mTOR), but not Nogo signaling. Grafted neurons supported formation of electrophysiological relays across sites of complete spinal transection, resulting in functional recovery. Two human stem cell lines (566RSC and HUES7) embedded in growth-factor-containing fibrin exhibited similar growth, and 566RSC cells supported functional recovery. Thus, properties intrinsic to early-stage neurons can overcome the inhibitory milieu of the injured adult spinal cord to mount remarkable axonal growth, resulting in formation of new relay circuits that significantly improve function. These therapeutic properties extend across stem cell sources and species.

Current methods for bioprinting functional tissue lack appropriate biofabrication techniques to build complex 3D microarchitectures essential for guiding cell growth and promoting tissue maturation1. 3D printing of central nervous system (CNS) structures has not been accomplished, possibly owing to the complexity of CNS architecture. Here, we report the use of a microscale continuous projection printing method (μCPP) to create a complex CNS structure for regenerative medicine applications in the spinal cord. μCPP can print 3D biomimetic hydrogel scaffolds tailored to the dimensions of the rodent spinal cord in 1.6 s and is scalable to human spinal cord sizes and lesion geometries. We tested the ability of µCPP 3D-printed scaffolds loaded with neural progenitor cells (NPCs) to support axon regeneration and form new 'neural relays' across sites of complete spinal cord injury in vivo in rodents1,2. We find that injured host axons regenerate into 3D biomimetic scaffolds and synapse onto NPCs implanted into the device and that implanted NPCs in turn extend axons out of the scaffold and into the host spinal cord below the injury to restore synaptic transmission and significantly improve functional outcomes. Thus, 3D biomimetic scaffolds offer a means of enhancing CNS regeneration through precision medicine.

Neuroscience dogma avers that astrocytic "scars" inhibit axonal regeneration after spinal cord injury (SCI). A recent report suggested however that astrocytes form "borders" around lesions that are permissive rather than inhibitory to axonal growth. We now provide further evidence supporting a facilitatory role of astrocytes in axonal regeneration after SCI. First, even 6months after SCI, injured axons are retained within regions of densely reactive astrocytes, in direct contact with astrocyte processes without being repelled. Second, 6 month-delayed implants of neural stem cells extend axons into reactive astrocyte borders surrounding lesions, densely contacting astrocyte surfaces. Third, bioengineered hydrogels implanted into sites of SCI re-orient reactive astrocytic processes to align along the rostral-to-caudal spinal cord axis resulting in successful regeneration into the lesion/scaffold in close association with astrocytic processes. Fourth, corticospinal axons regenerate into neural progenitor cells implanted six months after injury in close association with host astrocytic processes. Thus, astrocytes do not appear to inhibit axonal regeneration, and the close association of newly growing axons with astrocytic processes suggests a facilitatory role in axonal regeneration.