第一個 3D列印具有功能性的人類腦組織，生長方式如同真實大腦

研究人員使用了一種新的3D列印技術來列印腦組織，其細胞在幾周內發展成功能性神經元並相互交流。研究人員表示，這種方法可以用於研究健康和不健康的大腦，測試藥物，或者僅僅觀察大腦如何發育。

為了探索疾病病理和測試新藥，創建一個盡可能接近真實器官的器官至關重要。大腦是一個特殊的挑戰，包括實驗室中培養的神經元必須形成功能性連接，以及腦組織需要支援複雜而精細的架構。

威斯康辛大學麥迪森分校 (UW-Madison) 的研究人員成功地 3D 列印了能夠像典型大腦一樣生長和發揮功能的腦組織。

「這可能是一個極其強大的模型，幫助我們理解大腦細胞和大腦的各個部分在人類中是如何交流的，」研究的通訊作者張素春（Su-Chun Zhang）說。「它可能改變我們看待幹細胞生物學、神經科學以及許多神經系統和精神疾病的病理發生方式。」

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研究人員旨在構建層狀神經組織，在該組織中，神經前體細胞（NPCs）成熟並在層內和層間形成連接（突觸）同時保持結構。他們選擇了主要由纖維蛋白原和凝血酶組成的纖維蛋白水凝膠作為「生物墨水」，或用於組織列印的生物材料，因為它與神經細胞相容。纖維蛋白原和凝血酶都在血液凝結中起作用。

纖維蛋白凝膠的高粘度使其難以列印，因此研究人員將其與透明質酸鹽水凝膠混合，注意到放入混合物中的大量NPCs存活並成熟。添加另一種氫元素使他們的生物墨水比之前使用的更柔軟。

研究人員沒有使用傳統的3D列印方法，即垂直堆疊層，該方法需要在厚層中列印堅硬的生物墨水，而是透過水平地將一層薄層或細帶的細胞注入凝膠列印在另一層旁邊來創建圖案化組織。為了防止列印的帶狀混合，凝血酶被用作交聯劑，立即在混合物被沉積後使用。

儘管列印後的細胞保持在其指定層內，但神經元在列印後兩到五周內在層內和層之間形成了功能性突觸連接。

「組織仍然具有足夠的結構來保持在一起，但它足夠柔軟，允許神經元彼此成長並開始相互交談，」張說。「我們的組織保持相對薄，這使得神經元從生長介質中獲得足夠的氧氣和足夠的營養成為可能。」

研究人員嘗試使用不同細胞組合的生物墨水列印腦組織。

「我們列印了大腦皮層和紋狀體，我們發現的非常驚人，」張說。「即使我們列印了屬於大腦不同部分的不同細胞，它們仍然能夠以一種非常特殊和具體的方式相互交流。」

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▲ 該研究的主要作者 Yan Yuanwei Yan

研究人員表示，他們的方法提供了器官類和其他列印方法無法達到的細胞類型和排列的精確度。而且，列印技術不需要特殊設備或培養方法來保持組織健康，意味著它應該對許多實驗室都是可以做到的。

「我們的實驗室非常特別，因為我們能夠隨時產生幾乎任何類型的神經元，」張說。「然後，我們幾乎可以隨時以任何我們喜歡的方式將它們拼接在一起。因為我們可以按設計列印組織，我們可以有一個定義好的系統來查看我們的人腦網絡是如何運作的。我們可以非常具體地看看在某些條件下神經細胞是如何相互交談的，因為我們可以列印我們想要的確切內容。」

目前計畫改進生物墨水和設備，以允許在其列印組織內特定細胞方向。

該研究的主要作者袁偉炎（Yuanwei Yan）說：「目前，我們用的印表機是商用桌上型印表機。」「我們進行一些專門改進，以幫助我們按需列印特定類型的大腦組織。」

研究人員說，他們列印的腦組織可以用於研究唐氏綜合症的細胞間信號傳導、健康組織和阿茲海默症受影響組織之間的相互作用，測試新的藥物候選物，或僅僅是觀察大腦是如何發展的。

張說：「過去，我們經常一次觀察一個東西，這意味著我們經常會錯過一些關鍵成分。」「我們的大腦以網路方式運作。我們想以這種方式列印腦組織，因為細胞不會單獨運作。他們會互相交談。這就是我們大腦的工作方式，必須像這樣整體研究才能真正理解它。」

這項研究發表在《細胞幹細胞》期刊上。