威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员首次3D打印功能性人脑组织

威斯康星大学麦迪逊分校的一组科学家开发了第一个3D打印的脑组织，可以像典型的脑组织一样生长和运作。

这是一项对研究大脑的科学家和研究治疗各种神经和神经发育障碍（如阿尔茨海默氏症和帕金森氏病）具有重要意义的成就。

“这可能是一个非常强大的模型，可以帮助我们了解脑细胞和大脑部分如何在人类中交流，”威斯康星大学麦迪逊分校威斯曼中心的神经科学和神经学教授Su-Chun Zhang说。“它可能会改变我们看待干细胞生物学、神经科学以及许多神经和精神疾病发病机制的方式。

打印方法限制了以前打印脑组织尝试的成功，据Zhang和Zhang实验室的科学家Yuanwei Yan说。新的3D打印工艺背后的小组今天在《细胞干细胞》杂志上描述了他们的方法。

研究人员没有使用传统的3D打印方法，垂直堆叠层，而是水平堆叠。他们将脑细胞（从诱导多能干细胞生长而来的神经元）置于比以前的尝试更柔软的“生物墨水”凝胶中。

“组织仍然有足够的结构来保持在一起，但它足够柔软，可以让神经元相互生长并开始相互交谈，”张说。

这些细胞彼此相邻放置，就像铅笔在桌面上彼此相邻放置一样。

“我们的组织保持相对薄，这使得神经元很容易从生长培养基中获得足够的氧气和足够的营养，”Yan说。

结果不言自明——也就是说，细胞可以相互交谈。打印的细胞穿过介质，在每个打印层内部以及跨层形成连接，形成与人脑相当的网络。神经元进行交流，发送信号，通过神经递质相互交互，甚至与添加到打印组织中的支持细胞形成适当的网络。

“我们打印了大脑皮层和纹状体，我们发现的结果非常惊人，”张说。“即使我们打印了属于大脑不同部位的不同细胞，它们仍然能够以一种非常特殊和特定的方式相互交谈。

这种打印技术提供了精确性 – 控制细胞的类型和排列 – 在大脑类器官中是没有的，类器官是用于研究大脑的微型器官。类器官的生长组织和控制较少。

“我们的实验室非常特别，因为我们能够在任何时候产生几乎任何类型的神经元。然后，我们几乎可以在任何时候以我们喜欢的任何方式将它们拼凑在一起，“张说。“因为我们可以通过设计打印组织，所以我们可以有一个定义的系统来观察我们的人脑网络是如何运作的。我们可以非常具体地观察神经细胞在某些条件下如何相互交谈，因为我们可以准确地打印出我们想要的东西。

这种特异性提供了灵活性。打印的脑组织可用于研究唐氏综合症细胞之间的信号传导，健康组织与受阿尔茨海默氏症影响的邻近组织之间的相互作用，测试新的候选药物，甚至观察大脑的生长。

“过去，我们经常一次只看一件事，这意味着我们经常错过一些关键组件。我们的大脑在网络中运作。我们想以这种方式打印脑组织，因为细胞不能自行运作。他们互相交谈。这就是我们大脑的工作方式，必须像这样一起研究才能真正理解它，“张说。“我们的脑组织可以用来研究韦斯曼中心许多人正在研究的几乎所有主要方面。它可以用来研究大脑发育、人类发育、发育障碍、神经退行性疾病等的分子机制。

新的打印技术也应该可供许多实验室使用。它不需要特殊的生物打印设备或培养方法来保持组织健康，并且可以使用显微镜、标准成像技术和该领域已经常见的电极进行深入研究。

不过，研究人员希望探索专业化的潜力，进一步改进他们的生物墨水并改进他们的设备，以允许其打印组织中细胞的特定方向。

“现在，我们的打印机是台式商业化的，”Yan说。“我们可以进行一些专门的改进，以帮助我们按需打印特定类型的脑组织。

这项研究得到了 NIH-NINDS （NS096282， NS076352， NS086604）、NICHD （HD106197， HD090256）、新加坡国家医学研究委员会 （MOH-000212， MOH-000207）、新加坡教育部 （MOE2018-T2-2-103）、帕金森氏症科学对齐 （ASAP-000301）、Bleser 家庭基金会和 Busta 基金会的部分支持。