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，它可以像傳統腦組織一樣正常生長并發揮作用。相關研究結果發表于《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和神經發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科學和神經學教授張素春表示，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、神經科學以及許多神經和精神疾病發病機制的看法。”
根據研究人員的說法，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，從而培育出神經元。
“這種組織有足夠的結構連接在一起，但足夠柔軟的環境可以讓神經元彼此生長，并開始相互交流。而且該組織保持相對較薄，這使得神經元更容易從生長介質中獲得足夠的氧氣和足夠的營養。”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的網絡。神經元通過神經遞質進行交流、發送信號、相互作用，甚至與添加到打印組織中的支持細胞形成適當的網絡。
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，他們能夠隨時產生幾乎任何類型的神經元，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，有一個明確的系統來觀察人腦網絡如何運作，可以非常具體地觀察神經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，研究大腦發育、人類發育、發育障礙、神經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常見的電極進行深入研究。
下一步，研究人員希望探索專業化的潛力，進一步改進“生物墨水”和設備，以便在打印組織中實現細胞的特定方向。目前，該實驗室使用的打印機是臺式商業化打印機，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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