科學家首次3D打印出功能性人類腦組織
近日，美國威斯康星大學麥迪遜分校的科研團隊成功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并發(fā)揮作用。相關研究結果發(fā)表于《細胞—干細胞》。
科學家認為，這一突破對研究大腦，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、威斯康星大學麥迪遜分校魏斯曼中心神經(jīng)科學和神經(jīng)學教授張素春表示，該腦組織可能是一個非常強大的模型，可以幫助我們了解人類腦細胞和大腦部分是如何交流的。“它可能會改變我們對干細胞生物學、神經(jīng)科學以及許多神經(jīng)和精神疾病發(fā)病機制的看法。”
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。該研究團隊有使用傳統(tǒng)垂直疊層3D打印方式，而是使用了水平疊層方案，通過將從誘導多能干細胞中培養(yǎng)出來的腦細胞置于柔軟的“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構連接在一起，但足夠柔軟的環(huán)境可以讓神經(jīng)元彼此生長，并開始相互交流。而且該組織保持相對較薄，這使得神經(jīng)元更容易從生長介質中獲得足夠的氧氣和足夠的營養(yǎng)。”張素春說。
這些細胞挨個排列，就像桌面上的鉛筆挨個排列一樣。打印的細胞通過介質在每個打印層內部和層之間形成連接，形成與人類大腦相當?shù)木W(wǎng)絡。神經(jīng)元通過神經(jīng)遞質進行交流、發(fā)送信號、相互作用，甚至與添加到打印組織中的支持細胞形成適當?shù)木W(wǎng)絡。
研究團隊打印了大腦皮層和紋狀體，結果非常驚人。即使打印了屬于大腦不同部位的不同細胞，它們仍然能夠以一種非常特殊和特定的方式相互對話。這種打印技術可以精確地控制細胞的類型和排列，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，他們能夠隨時產(chǎn)生幾乎任何類型的神經(jīng)元，可以在任何時間以任何方式將它們拼湊在一起。可以通過設計打印組織，有一個明確的系統(tǒng)來觀察人腦網(wǎng)絡如何運作，可以非常具體地觀察神經(jīng)細胞在特定條件下如何相互交流。
除了特殊性，該3D打印技術還具有靈活性。打印的腦組織可用于研究唐氏綜合癥患者細胞間的信號傳導、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，測試新的候選藥物，甚至觀察大腦的生長，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制。
值得一提的是，這種新的3D打印技術也可為許多實驗室所用。因為它不需要特殊的生物打印設備或培養(yǎng)方法來保持組織健康，并且可以使用顯微鏡、標準成像技術和該領域已經(jīng)常見的電極進行深入研究。
下一步，研究人員希望探索專業(yè)化的潛力，進一步改進“生物墨水”和設備，以便在打印組織中實現(xiàn)細胞的特定方向。目前，該實驗室使用的打印機是臺式商業(yè)化打印機，張素春表示，他們計劃進行一些專門的改進，按需打印特定類型的腦組織。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.12.009
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