干細胞3D打印組織幫助修復腦損傷

來源： ML聯合細胞研究中心

腦損傷，包括由創(chuàng)傷、中風和腦腫瘤手術引起的損傷，通常會導致大腦皮層（人腦的外層）嚴重受損，導致認知、運動和溝通困難。每年，全球約有7000萬人受到創(chuàng)傷性腦損傷（TBI）的影響，其中500萬例為重度或致命。目前，對于重度腦損傷并沒有有效的治療方法，這對患者的生活質量造成了嚴重影響。

牛津大學的研究者們開發(fā)了一種突破性技術，有望為腦損傷患者提供定制的修復方案。研究者們首次證明，可以通過3D打印技術來模仿大腦皮層的結構，制造出神經細胞。這一研究成果已在《自然通訊》雜志上發(fā)表。

在這項新研究中，牛津大學的研究者們通過3D打印人類神經干細胞，制造出了一個雙層的大腦組織。當這些細胞被植入到小鼠的大腦切片中時，它們與宿主組織展現出了令人信服的結構和功能整合。

圖：研究人員使用干細胞 3D 打印分層腦組織（紅色和藍色），并與小鼠腦組織（藍色）整合

該研究的通訊作者之一 Linna Zhou 表示：“我們的液滴打印技術提供了一種設計具有所需結構的活體 3D 組織的方法，這使我們更接近于創(chuàng)建針對腦損傷的個性化植入治療?！?br />
人類誘導多能干細胞（hiPSC）在組織再生治療中具有巨大的應用潛力。它們是源自體細胞的人造干細胞，經過基因重新編程，形成胚胎干細胞樣狀態(tài)，賦予它們分化成身體任何細胞類型的獨特能力。

在當前的研究中，研究人員首先將 hiPSC 分化為兩種類型的神經祖細胞，旨在形成大腦皮層的上層和深層。這些層特異性祖細胞被用來創(chuàng)建兩種生物墨水，并通過 3D 液滴打?。ㄒ环N可以生產無支架軟組織的打印技術）打印成分層組織。在將分層組織植入活體小鼠腦組織之前，讓打印的祖細胞成熟，并在一周內監(jiān)測它們的生長和活性。

圖：從干細胞分化到 3D 打印腦組織植入過程的圖示

含有人類 iPSC 衍生神經祖細胞的液滴經過 3D 打印，形成 2 層大腦皮層組織，并在植入小鼠腦切片之前進行培養(yǎng)。DNP：深層神經祖細胞；UNP：上層神經祖細胞。

植入的組織顯示出與小鼠腦細胞的強烈整合，包括神經元過程的形成——傳導和傳遞神經信號的手指狀突起——以及神經元跨越植入物和宿主之間邊界的遷移。植入的細胞還顯示出與宿主細胞相關的信號活動，表明細胞之間正在相互通信并表現出功能和結構整合。

該研究的另一位通訊作者佐爾坦·莫爾納爾 (Zoltán Molnár) 表示：“人類大腦發(fā)育是一個微妙而復雜的過程，有著復雜的編排?！?“如果認為我們可以在實驗室中重現整個細胞進程，那就太天真了。盡管如此，我們的 3D 打印項目在控制人類 iPSC 的命運和排列以形成大腦皮層的基本功能單元方面取得了實質性進展?！?br />
由于人類大腦皮層有多達六層神經細胞，研究人員計劃改進 3D 液滴打印技術，以創(chuàng)建更復雜、多層的組織，更真實地模仿大腦的結構。他們表示，除了打印的組織在修復腦損傷方面的潛在用途外，它還可以用于藥物測試、大腦發(fā)育研究以及提高我們對認知的理解。

該研究的主要作者金永成表示：“這一進展標志著朝著制造具有天然腦組織完整結構和功能的材料邁出了重要一步?！?“這項工作將為探索人類皮質的運作提供一個獨特的機會，從長遠來看，它將為遭受腦損傷的人帶來希望。”


參考文獻：Integration of 3D-Printed Cerebral Cortical Tissue into an ex vivo Lesioned Brain Slice, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-41356-w