張素春團隊開發第一個3D打印的功能性人腦組織

　　威斯康星大學麥迪遜分校張素春團隊在 Cell Stem Cell 期刊發表了題為：3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity 的研究論文。

　　該研究開發出了第一個3D打印的功能性人腦組織，它可以像典型的人腦組織一樣生長和發揮作用。這對于研究大腦和治療廣泛的神經系統和神經發育障礙（例如阿爾茨海默病和帕金森病）來說具有重要意義。

　　雖然支架為打印神經組織提供了支撐結構，但它不是真正的3D生物打印或細胞生物打印，因為它不是通過直接將活細胞與生物墨水一起沉積來實現的。在這些培養中，首先通過3D打印制造支架或模具，然后將細胞播種在支架或模具上。支架或模具中的神經細胞分布不均勻，形成大而厚的聚集體或細胞簇。更重要的是，支架和模具不具有生物降解性，阻礙了神經細胞遷移，特別是層與層之間的神經網絡形成。使用軟凝膠（吉蘭膠、藻酸鹽或明膠混合纖維蛋白），并逐層垂直打印的3D生物打印神經組織，呈現出層狀結構，具有一定程度的神經元成熟度。然而，這種3D打印的神經組織未能顯示出組織層內或層間的功能性神經元-神經元或神經元-膠質細胞連接。

　　在這項研究中，張素春團隊開發了一個3D生物打印平臺，使用商業化生物打印機以所需的尺寸組裝具有定義的人類3D神經組織，其中神經元和膠質細胞在組織層內和層間形成功能連接。

　　該平臺是通過水平打印的方式實現的，而不像傳統的3D打印那樣垂直堆疊方式。這種水平打印方式將腦細胞（iPSC分化而來的神經元）放置在更柔軟的“生物墨水”凝膠中。該組織具有足夠的結構來結合在一起，但又足夠柔軟，可以讓神經元相互生長并開始相互“交流”，這些細胞之間彼此相鄰，就像桌面上彼此并排相鄰的鉛筆一樣。這種打印方式打印的3D組相對較薄，這也使得神經元很容易培養中獲得足夠的氧氣和營養。

　　打印的神經元前體在數周內分化為神經元，并在組織層內和層間形成特異性的功能神經回路，這由皮層到紋狀體的投射、自發突觸電流和對神經元興奮的突觸反應所證實。打印的星形膠質細胞前體通過復雜的過程發育成成熟的星形膠質細胞，并在生理和病理條件下對神經元興奮的鈣通量和谷氨酸攝取反應來表明，形成了功能性神經元-星形膠質細胞網絡。

　　也就是說，該研究打印的3D人類神經組織的細胞之間可以相互交流，在每一層內喝層與層之間形成了連接，類似于人類大腦神經網絡，其中的神經元之間通過神經遞質進行交流、發送信號、相互作用，還與添加到打印組織中起到支撐作用的膠質細胞形成適當的網絡。

　　該研究還打印了大腦皮層和紋狀體，結果顯示，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交流。

　　張素春教授表示，這種3D生物打印技術提供了更高的精確性，可以實現對細胞類型和排列進行控制，這是大腦類器官所不具備的，大腦類器官的生長缺乏組織和控制。

　　他還表示，我們實驗室能夠在任何時間生產幾乎任何類型的神經元，然后幾乎可以在任何時間以任何我們喜歡的方式把它們組合在一起，由于可以設計打印組織，就可以有一個明確的系統來觀察人類大腦網絡是如何運作的，可以非常具體地觀察神經細胞在特定條件下如何相互通信。

　　總的來說，該研究開發了一種3D生物打印平臺，成功打印了功能性人腦組織，該平臺不僅可用于研究大腦健康和疾病，還可用于藥物篩選和測試。

　　版權聲明 本網站所有注明“來源：生