美國科學家首次3D打印出功能性人類腦組織，它可以像傳統(tǒng)腦組織一樣正常生長并發(fā)揮作用。相關(guān)研究結(jié)果日前發(fā)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(jīng)和神經(jīng)發(fā)育疾病具有重要意義。
研究通訊作者、美國威斯康星大學麥迪遜分校魏斯曼中心神經(jīng)科學和神經(jīng)學教授張素春（音）表示，該腦組織可能是一個非常強大的模型，可以幫助人們了解人類腦細胞和大腦是如何交流的。“它可能會改變我們對干細胞生物學、神經(jīng)科學以及許多神經(jīng)和精神疾病發(fā)病機制的看法。”
研究人員表示，之前的打印方法限制了打印腦組織的可能性。他們這次沒有采用傳統(tǒng)垂直疊層的3D打印方式，而是采用了水平疊層方案，將從誘導多能干細胞中培養(yǎng)出來的腦細胞置于柔軟的“生物墨水”凝膠中，最終培育出神經(jīng)元。
“這種組織有足夠的結(jié)構(gòu)連接在一起，而柔軟的環(huán)境可以促進神經(jīng)元生長，并相互交流。我們的組織相對較薄，這使得神經(jīng)元更容易從生長介質(zhì)中獲得足夠的氧氣和營養(yǎng)。”張素春說。
這些細胞排列在一起，就像桌面上排列的鉛筆一樣。打印的細胞通過介質(zhì)在每個打印層內(nèi)部和層之間產(chǎn)生連接，形成與人類大腦相當?shù)木W(wǎng)絡。神經(jīng)元通過神經(jīng)遞質(zhì)進行交流、發(fā)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?shù)木W(wǎng)絡。
研究團隊打印了大腦皮層和紋狀體，結(jié)果非常令人驚奇。即使打印的是大腦不同部分的不同細胞，它們?nèi)匀荒軌蛞砸环N非常特殊的方式相互交流。這種打印技術(shù)可以精確控制細胞的類型和排列，而這是大腦類器官，即用于研究大腦的微型器官所不具備的。
研究人員表示，他們能夠隨時生產(chǎn)幾乎任何類型的神經(jīng)元，因此可以在任何時間以任何方式將它們拼湊在一起。通過設計需要打印的組織，研究人員可以通過一個明確的系統(tǒng)來觀察人腦網(wǎng)絡如何運作，甚至可以非常具體地觀察神經(jīng)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(shù)還具有靈活性。打印的腦組織可用于研究唐氏綜合征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(fā)育、人類發(fā)育、發(fā)育障礙、神經(jīng)退行性疾病中的潛在分子機制。
值得一提的是，這種新的3D打印技術(shù)可應用于各種實驗室。因為它不需要特殊的生物打印設備或培養(yǎng)方法來保持組織健康，并可以使用顯微鏡、標準成像技術(shù)和該領(lǐng)域常見的電極進行深入研究。
下一步，研究人員希望挖掘?qū)I(yè)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(xiàn)細胞的特定方向。目前，該實驗室使用的打印機是臺式商業(yè)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。
