世界上第一個3D打印的神經(jīng)組織像人腦一樣生長和運作

研究人員創(chuàng)造了第一個功能性的3D打印腦組織，它可以像真正的人類腦組織一樣發(fā)展和形成連接。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校（University of Wisconsin–Madison）的一個團隊的這一非凡成就為神經(jīng)科學(xué)家提供了一種研究腦細胞與人腦其他部分之間交流的新工具，從而有可能帶來更好的方法來治療疾病，如阿爾茨海默氏癥和帕金森氏癥.

“它可能會改變我們看待的方式干細胞生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)以及許多神經(jīng)和精神疾病的發(fā)病機制，”說神經(jīng)科學(xué)家Su-Chun Zhang是一篇描述這項研究的新論文的資深作者。

Zhang和他的團隊說，許多實驗室應(yīng)該能夠使用他們的新方法，因為它不需要特殊的生物打印設(shè)備。此外，該組織易于保持健康，可以使用顯微鏡和大多數(shù)實驗室中常見的其他設(shè)備進行研究。

3D生物打印是一種計算機引導(dǎo)的過程，可以構(gòu)建材料，細胞和其他組件層以構(gòu)建活體結(jié)構(gòu) - 在創(chuàng)建可復(fù)制的組織方面具有巨大潛力，在某些情況下甚至替換真正的交易。

“因為我們可以通過設(shè)計打印組織，我們可以有一個定義的系統(tǒng)來觀察我們的人腦網(wǎng)絡(luò)是如何運作的。說張?！拔覀兛梢苑浅＞唧w地研究神經(jīng)細胞在某些條件下如何相互交談。

研究人員解釋說，為了了解用于研究健康和疾病的人腦網(wǎng)絡(luò)，我們需要一個可靠的活體人類神經(jīng)組織模型，因為動物模型無法完全復(fù)制大腦的復(fù)雜性。

但是打印功能性人腦組織具有挑戰(zhàn)性，到目前為止，大多數(shù)3D打印組織在細胞之間缺乏適當(dāng)?shù)倪B接。神經(jīng)元需要能夠在保持組織結(jié)構(gòu)完整的同時成熟，而星形膠質(zhì)細胞等支持細胞對于組織正常運作至關(guān)重要。

早期的嘗試使用不可生物降解的支架，防止神經(jīng)細胞輕易遷移。該團隊沒有使用通常的垂直分層，而是使用源自誘導(dǎo)多能的神經(jīng)元的水平分層干細胞，放置在比以前方法更柔軟的“生物墨水”凝膠中。

他們打印的組織細胞可以在短短幾周內(nèi)在層內(nèi)和層之間形成類似腦的網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)元進行交流、發(fā)送信號、使用神經(jīng)遞質(zhì)，甚至與添加的支持細胞形成網(wǎng)絡(luò)。

“組織仍然有足夠的結(jié)構(gòu)來保持在一起，但它足夠柔軟，可以讓神經(jīng)元相互生長并開始相互交談，”解釋張。

“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交談。

他說，一次研究一件事意味著缺少關(guān)鍵組件，因為大腦在網(wǎng)絡(luò)中運作。以這種方式打印腦組織可以更清晰地觀察細胞相互作用。

“我們打印了大腦皮層和紋狀體，我們發(fā)現(xiàn)的結(jié)果非常驚人，”張說.

他們發(fā)現(xiàn)，在打印的腦組織中投射的軸突反映了人腦模式，其中皮質(zhì)神經(jīng)元將軸突投射到紋狀體上。

這種3D打印方法的精度允許控制細胞類型和排列，這與用于大腦研究的微型實驗室培養(yǎng)器官（稱為大腦）不同類器官.

然而，原型無法控制成熟神經(jīng)元的方向，打印的組織缺乏大腦類器官中的自然結(jié)構(gòu)。但Zhang及其同事表示，它補充了類器官，是研究不同條件下大腦的有用方法。

“它可以用來研究大腦發(fā)育、人類發(fā)育、發(fā)育障礙、神經(jīng)退行性疾病等的分子機制，”張解釋.

該團隊希望改進他們的過程，以創(chuàng)建具有可引導(dǎo)細胞的更特異性的腦組織。

該研究已發(fā)表在細胞干細胞.

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