威斯康星大學(xué)：研究人員3D打印功能性人腦組織

2024年2月，南極熊獲悉，來(lái)自威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的一組科學(xué)家開(kāi)發(fā)出了第一個(gè)3D打印腦組織，可以像典型腦組織一樣生長(zhǎng)和發(fā)揮作用，這是一項(xiàng)重大成就，對(duì)研究大腦和致力于廣泛治療的科學(xué)家具有重要意義。神經(jīng)系統(tǒng)和神經(jīng)發(fā)育障礙，例如阿爾茨海默病和帕金森病。

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說(shuō)：“這是一個(gè)非常強(qiáng)大的模型，可以幫助我們了解人類(lèi)的腦細(xì)胞和大腦部分如何進(jìn)行交流，有助于干細(xì)胞生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)以及許多神經(jīng)和精神疾病發(fā)病機(jī)制的研究�！�



此項(xiàng)研究工作已經(jīng)發(fā)表在了《Cell Stem Cell》雜志上，其中腦細(xì)胞（誘導(dǎo)多能干細(xì)胞生長(zhǎng)的神經(jīng)元）被放置在柔軟的生物墨水凝膠中。研究人員表示該組織仍具有足夠的強(qiáng)度結(jié)合在一起，但它也十分柔軟，可以讓神經(jīng)元相互生長(zhǎng)并開(kāi)始相互交流。這些單元彼此相鄰放置，就像桌面上彼此相鄰的鉛筆一樣，組織保持相對(duì)較薄的狀態(tài)，神經(jīng)元很容易從生長(zhǎng)培養(yǎng)基中獲得足夠的氧氣和足夠的營(yíng)養(yǎng)。


△研究人員Su-Chun Zhang

打印的細(xì)胞穿過(guò)介質(zhì)，在每個(gè)打印層內(nèi)部以及跨層形成連接，形成與人腦相當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)，本質(zhì)上，細(xì)胞之間可以相互交流。神經(jīng)元通過(guò)神經(jīng)遞質(zhì)進(jìn)行通信、發(fā)送信號(hào)、相互作用，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)。

Su-Chun Zhang表示：“我們打印了大腦皮層和紋狀體，取得的發(fā)現(xiàn)非常驚人，即使我們打印了屬于大腦不同部分的不同細(xì)胞，它們?nèi)匀荒軌蛞砸环N非常特殊和特定的方式相互交流。”

3D打印技術(shù)的作用
●打印技術(shù)提供了精確性，對(duì)細(xì)胞類(lèi)型和排列能夠進(jìn)行控制，這是大腦類(lèi)器官（用于研究大腦的微型器官）所沒(méi)有的，類(lèi)器官的生長(zhǎng)需要較少的組織和控制。研究人員表示，實(shí)驗(yàn)室特別，能夠隨時(shí)產(chǎn)生幾乎任何類(lèi)型的神經(jīng)元，可以在任何時(shí)間以任何方式將它們拼湊在一起�？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)打印組織，有一個(gè)明確的系統(tǒng)來(lái)觀察人腦網(wǎng)絡(luò)如何運(yùn)作，可以非常具體地觀察神經(jīng)細(xì)胞在某些條件下如何相互通信，因?yàn)榇?D打印可以準(zhǔn)確地打印出想要的內(nèi)容。

●這種特異性提供了靈活性，3D 打印的腦組織有可能用于研究唐氏綜合癥細(xì)胞之間的信號(hào)傳導(dǎo)、健康組織與受阿爾茨海默病影響的鄰近組織之間的相互作用、測(cè)試新的候選藥物，甚至觀察大腦的生長(zhǎng)。

●新的打印技術(shù)也相對(duì)容易獲得，因?yàn)樗�不需要特殊的生物打印設(shè)備或培養(yǎng)方法來(lái)保持組織健康，并且可以使用顯微鏡、標(biāo)準(zhǔn)成像技術(shù)和該領(lǐng)域已經(jīng)常見(jiàn)的電極進(jìn)行深入研究。


△研究人員Yuanwei Yan

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員希望探索專(zhuān)業(yè)化的潛力，進(jìn)一步改進(jìn)他們的生物墨水并改進(jìn)他們的設(shè)備，以允許打印組織內(nèi)細(xì)胞的特定方向。 目前，改實(shí)驗(yàn)室使用的打印機(jī)是臺(tái)式商業(yè)化打印機(jī)，可以進(jìn)行一些專(zhuān)門(mén)的改進(jìn)，按需打印特定類(lèi)型的腦組織。

這項(xiàng)研究得到了 NIH-NINDS (NS096282、NS076352、NS086604)、NICHD (HD106197、HD090256)、新加坡國(guó)家醫(yī)學(xué)研究理事會(huì) (MOH-000212、MOH-000207)、新加坡教育部 (MOE2018- T2-2-103)、帕金森病的科學(xué)協(xié)調(diào) (ASAP-000301)、Bleser 家庭基金會(huì)和 Busta 基金會(huì)。