研究人員首次3D打印功能性人類腦組織，為研究和治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病開辟新途徑

2024年2月2日，南極熊獲悉，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員成功開發(fā)了首個通過3D打印技術(shù)制造的腦組織，該組織能夠模擬典型腦組織的生長和功能。

△具有功能連接的人體神經(jīng)組織生物3D打印

這一科學(xué)突破對于深入研究大腦以及治療各種神經(jīng)系統(tǒng)和神經(jīng)發(fā)育障礙，如阿爾茨海默病和帕金森病等疾病具有重要意義。

△Su-Chun Zhang

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校魏斯曼中心的神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)病學(xué)教授Su-Chun Zhang表示：“這可能是一個非常強大的模型，可以幫助我們深入了解人類腦細胞以及大腦不同部分之間的交流方式。” 他進一步指出，這一技術(shù)可能會徹底改變我們對干細胞生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)以及多種神經(jīng)和精神疾病發(fā)病機制的認識方式。

△Yan Yuanwei

該科學(xué)團隊的研究人員Yuanwei Yan強調(diào)，新的3D打印方法克服了之前嘗試打印腦組織時所面臨的限制。

研究人員采用了水平堆疊而非傳統(tǒng)的垂直堆疊方法進行3D打印。在這一過程中，他們將腦細胞（誘導(dǎo)多能干細胞生長的神經(jīng)元）置于比之前嘗試的更柔軟的生物墨水凝膠中。

Zhang教授表示：“盡管該組織仍然具有足夠的結(jié)構(gòu)來有效連接，但它足夠柔軟，有助于神經(jīng)元之間的相互生長和交流?！?

這些單元被相鄰地放置，類似于桌面上相鄰的鉛筆。Yan解釋：“我們的組織保持相對較薄，這使得神經(jīng)元能夠輕松從生長介質(zhì)中獲得足夠的氧氣和養(yǎng)分?！?

△該團隊詳細描述了他們的方法，并在《細胞干細胞》雜志上發(fā)布了相關(guān)研究成果，題目為“具有功能連接的人體神經(jīng)組織生物3D打印”（傳送門）

3D打印腦細胞實驗結(jié)果

結(jié)果不言而喻。也就是說，細胞之間可以相互對話。3D打印細胞通過介質(zhì)在每個印制層內(nèi)部以及跨印制層之間建立聯(lián)系，形成可與人類大腦媲美的網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)元通過神經(jīng)遞質(zhì)進行交流、發(fā)送信號、相互影響，甚至與添加到打印組織中的支持細胞形成適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)。

Zhang教授說：“我們打印了大腦皮層和紋狀體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)非常驚人。即使我們打印了屬于大腦不同部位的不同細胞，它們?nèi)匀荒軌蛞砸环N非常特殊和特定的方式相互對話?！?br />
這種打印技術(shù)提供了對細胞類型和排列的精確控制，這在腦類器官(用于研究大腦的微型器官)中是找不到的。類器官的生長缺乏組織和控制。

△纖維蛋白水凝膠中hPSC衍生神經(jīng)元的存活和分化

Zhang教授表示：“我們的實驗室非常特別，因為我們能夠在任何時候生產(chǎn)幾乎任何類型的神經(jīng)元。然后，我們幾乎可以在任何時候以任何我們喜歡的方式將它們組合在一起。因為我們可以按設(shè)計打印組織，所以，我們可以有一個確定的系統(tǒng)來研究人類大腦網(wǎng)絡(luò)是如何運作的。我們可以非常具體地觀察神經(jīng)細胞在特定條件下是如何相互對話的，因為我們可以精確地打印出我們想要的東西。”

通過該技術(shù)，研究人員可以在任何時候生產(chǎn)幾乎任何類型的神經(jīng)元，并以所需的方式將它們組合在一起。這使他們能夠設(shè)計并打印出符合特定條件的組織，從而觀察神經(jīng)細胞在特定環(huán)境下如何相互對話。這項研究為深入了解人類大腦的功能和結(jié)構(gòu)提供了有力工具。