生物打印水凝膠結構中的3D功能神經元網絡

供稿人：白路歌、王玲
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打�。┓謺�

比起目前常用的2D神經細胞培養(yǎng)，3D神經組織培養(yǎng)包含大量的物理和化學線索，為正常和病理情況下神經元信號傳導和神經網絡功能的相關研究提供了更有效的模型。已有大量研究使用生物打印方法制造體外3D神經組織，但這些研究多使用模具輔助成形，缺乏適合神經組織的通用生物墨水和生物打印方法，難以制造具有高度時空可控性的神經網絡結構。

為了解決此問題，來自澳大利亞莫納什大學的Helena C. Parkington團隊開發(fā)了低濃度明膠-降冰片烯聚(乙二醇)-二巰基生物墨水，使用大鼠初級皮層神經元和星形膠質細胞，生物打印了包含灰質和白質在內的類腦三維神經結構，并研究其網絡形成和功能。

如圖1所示，研究者使用含細胞生物墨水打印“細胞鏈”（綠色）模擬大腦灰質，使用不含細胞墨水打印“脫細胞鏈”（灰色）模擬大腦白質，交替打印“細胞鏈”和“非細胞鏈”模擬大腦層級結構，并設計了兩種交替結構A（圖1A）和B（圖1B）。培養(yǎng)7天之后，“細胞鏈”內的神經元胞體形成大的球形簇，類似于富含神經元的大腦灰質；“脫細胞鏈”內不含胞體但含有大量神經突，模擬了富含神經突的大腦白質；各“細胞鏈”之間通過建立跨“脫細胞鏈”的突觸連接形成了廣泛的神經網絡。結果發(fā)現(xiàn)，“細胞鏈”之間軸突的生長模式似乎受到“細胞鏈”和“脫細胞鏈”的接近程度和相對排列的影響。在結構A中神經突選擇了阻力較小的路徑，即優(yōu)先沿“脫細胞鏈”表面生長，在結構B中神經突選擇了最短路徑，即穿過中間的“脫細胞鏈”區(qū)域進行連接。

圖1生物打印皮層結構設計及培養(yǎng)7天后的免疫熒光染色圖像。（標尺：100 μm）

研究者通過鈣成像和電信號記錄進一步探索了打印得到的神經網絡的功能。細胞鈣成像顯示在體外培養(yǎng)14天（圖2A, C）和21天（圖2B, D）之后，神經組織出現(xiàn)有節(jié)律、準同步的自發(fā)鈣振蕩。電信號結果表明（圖3），當一個“細胞鏈”的神經元受到電刺激時，遠處另一“細胞鏈”的神經元產生相應的電活動。這些結果表明，所構建的體外神經網絡的神經元群之間形成了跨越“脫細胞鏈”空間的功能連接。

圖2 體外培養(yǎng)14天和21天之后細胞鈣成像結果

圖3 體外培養(yǎng)12 后電刺激下“細胞鏈”間功能電生理。（標尺：200 μm）

綜上所述，這項研究報告了一種生物打印方法，可以高分辨率和高通量地制造具備復雜結構的軟性獨立神經結構，且形成了自發(fā)的、刺激響應的、功能性的3D神經元網絡，探討了生物打印如何影響神經網絡的形成和神經元的功能，為理解神經網絡的基本問題、工程神經形態(tài)電路和體外藥物篩選提供了潛在平臺。

參考文獻：
Yao Y, Coleman H A, Meagher L, et al. 3D Functional Neuronal Networks in Free‐Standing Bioprinted Hydrogel Constructs[J]. Advanced Healthcare Materials, 2023: 2300801.