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    3D打印功能性人脑组织震撼问世

    发布时间: 2024-03-07  点击次数: 338次

    3D打印在过去听起来像天方夜潭,但现在3D打印心脏支架,替代骨骼等已经有了临床上的应用, 为我们带来很多以前难以想象的惊喜。通常认为只有相对硬一些的材料可被3D打印出来,而大脑、肺等软组织,很难通过3D打印技术获得。是因为3D打印过程通常涉及逐层建造物体,下层需要能支撑不断增长的结构重量,打印非常柔软的材料,容易出现底层材料崩塌问题。但是近年来,3D打印技术已经开始逐渐应用到神经外科的临床工作中,并有了较为成功的尝试,有望为神经疾病研究带来巨大挈机!


    2024年2月1日,来自美国威斯康星大学的研究人员在Cell Stem Cell发表了关于3D打印脑组织方面的研究,并成功研发出能够生长并且可发挥功能的人造脑组织,该研究标志着人们在神经和神经发育障碍研究领域迈出了非常关键的一步!


    1. 采用先进的 3D 打印技术打印人类神经组织

    传统的 3D 打印方法往往限制了对细胞类型的控制,在打印脑组织方面一直没有取得突破。本研究中,科学家们采用了全新的三维打印技术,其关键特色在于采用「水平层叠法」使脑细胞(由诱导性多能干细胞分化而来)能够更好地相互连接和沟通。此外,他们也开发出了更柔软的「生物墨水」从而为神经元生长和相互交流提供了更好的环境条件。此外,他们还通过「细胞精细排列」方法使细胞并排放置,使得它们能够充分获取氧气和营养。


    2. 神经元亚型在 3D 打印组织中形成功能网络

    在打印后第 15 天,科学家们发现打印的皮质和纹状体神经元保持良好。打印后第 60 天,他们通过对人类多能干细胞(hPSC)打印的组织进行检查,发现皮质神经元成功表达皮质转录因子 TBR1、CTIP2 和 SATB2,同时还观察到 γ-氨基丁酸(GABA)亚型。表明 3D 打印的大脑能够形成网络并通过神经递质进行沟通,类似于人类大脑的交流方式。此外,打印出的神经元能够相互沟通、发送信号、通过神经递质相互作用,且细胞也可以跨越打印层相互连接,形成与人类大脑相似的网络。


    3. 3D 打印的人类神经组织适合模拟病理过程

    为了进一步评估上述 3D 打印组织是否适合于检查病理过程,科学家们还以亚历山大病(AxD,一种由 GFAP 基因突变引起的神经退行性疾病)为例,在功能水平上评估了 3D 打印中的神经元-星形胶质细胞的相互作用。发现在打印后第 20 天,打印的 AxD 组织显示出比对照组更低的谷氨酸转运体 1(GLT-1)表达水平。打印后的第 30 天,MAP2+神经元和 GFAP+星形胶质细胞表现出复杂形态,并且具有突触蛋白表达和精细的活动过程。


    总的来说,该研究成功打印出能生长并发挥功能的人造脑组织,通过水平层叠法和更柔软的生物墨水使神经元能够相互连接并形成类似于人类大脑结构的神经网络,从而为神经和神经发育障碍研究提供了强有力的新工具,为研究大脑功能和疾病提供了从来未有的机会,同时也为探究大脑发育以及阿尔茨海默病和帕金森并等神经疾病研究开拓了新的途径!


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