科學(xué)家首次3D打印出功能性人類腦組織
近日，美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的科研團(tuán)隊(duì)成功3D打印出功能性人類腦組織，它可以像傳統(tǒng)腦組織一樣正常生長(zhǎng)并發(fā)揮作用。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于《細(xì)胞—干細(xì)胞》。
科學(xué)家認(rèn)為，這一突破對(duì)研究大腦，治療阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥等多種神經(jīng)和神經(jīng)發(fā)育疾病具有重要意義。
研究通訊作者、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校魏斯曼中心神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)學(xué)教授張素春表示，該腦組織可能是一個(gè)非常強(qiáng)大的模型，可以幫助我們了解人類腦細(xì)胞和大腦部分是如何交流的。“它可能會(huì)改變我們對(duì)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)制的看法。”
根據(jù)研究人員的說法，之前的打印方法限制了打印腦組織的成功。該研究團(tuán)隊(duì)有使用傳統(tǒng)垂直疊層3D打印方式，而是使用了水平疊層方案，通過將從誘導(dǎo)多能干細(xì)胞中培養(yǎng)出來的腦細(xì)胞置于柔軟的“生物墨水”凝膠中，從而培育出神經(jīng)元。
“這種組織有足夠的結(jié)構(gòu)連接在一起，但足夠柔軟的環(huán)境可以讓神經(jīng)元彼此生長(zhǎng)，并開始相互交流。而且該組織保持相對(duì)較薄，這使得神經(jīng)元更容易從生長(zhǎng)介質(zhì)中獲得足夠的氧氣和足夠的營(yíng)養(yǎng)。”張素春說。
這些細(xì)胞挨個(gè)排列，就像桌面上的鉛筆挨個(gè)排列一樣。打印的細(xì)胞通過介質(zhì)在每個(gè)打印層內(nèi)部和層之間形成連接，形成與人類大腦相當(dāng)?shù)木W(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(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)。
研究團(tuán)隊(duì)打印了大腦皮層和紋狀體，結(jié)果非常驚人。即使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(duì)話。這種打印技術(shù)可以精確地控制細(xì)胞的類型和排列，這是大腦類器官（用于研究大腦的微型器官）所沒有的。
研究人員表示，他們能夠隨時(shí)產(chǎn)生幾乎任何類型的神經(jīng)元，可以在任何時(shí)間以任何方式將它們拼湊在一起。可以通過設(shè)計(jì)打印組織，有一個(gè)明確的系統(tǒng)來觀察人腦網(wǎng)絡(luò)如何運(yùn)作，可以非常具體地觀察神經(jīng)細(xì)胞在特定條件下如何相互交流。
除了特殊性，該3D打印技術(shù)還具有靈活性。打印的腦組織可用于研究唐氏綜合癥患者細(xì)胞間的信號(hào)傳導(dǎo)、受阿爾茨海默氏癥影響的健康組織和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)，研究大腦發(fā)育、人類發(fā)育、發(fā)育障礙、神經(jīng)退行性疾病等潛在的分子機(jī)制。
值得一提的是，這種新的3D打印技術(shù)也可為許多實(shí)驗(yàn)室所用。因?yàn)樗恍枰厥獾纳锎蛴≡O(shè)備或培養(yǎng)方法來保持組織健康，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)常見的電極進(jìn)行深入研究。
下一步，研究人員希望探索專業(yè)化的潛力，進(jìn)一步改進(jìn)“生物墨水”和設(shè)備，以便在打印組織中實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的特定方向。目前，該實(shí)驗(yàn)室使用的打印機(jī)是臺(tái)式商業(yè)化打印機(jī)，張素春表示，他們計(jì)劃進(jìn)行一些專門的改進(jìn)，按需打印特定類型的腦組織。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.12.009
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