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(qiáng)大的模型，可以幫助我們深入了解人類腦細(xì)胞以及大腦不同部分之間的交流方式。” 他進(jìn)一步指出，這一技術(shù)可能會徹底改變我們對干細(xì)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(jī)制的認(rèn)識方式。

△Yan Yuanwei

該科學(xué)團(tuán)隊的研究人員Yuanwei Yan強(qiáng)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(jìn)行3D打印。在這一過程中，他們將腦細(xì)胞（誘導(dǎo)多能干細(xì)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(tuán)隊詳細(xì)描述了他們的方法，并在《細(xì)胞干細(xì)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(xì)胞實驗結(jié)果

結(jié)果不言而喻。也就是說，細(xì)胞之間可以相互對話。3D打印細(xì)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(jìn)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(xì)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(xì)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�！�

這種打印技術(shù)提供了對細(xì)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(yùn)作的。我們可以非常具體地觀察神經(jīng)細(xì)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(xì)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。