来源： ML联合细胞研究中心
脑损伤，包括由创伤、中风和脑肿瘤手术引起的损伤，通常会导致大脑皮层（人脑的外层）严重受损，导致认知、运动和沟通困难。每年，全球约有7000万人受到创伤性脑损伤（TBI）的影响，其中500万例为重度或致命。目前，对于重度脑损伤并没有有效的治疗方法，这对患者的生活质量造成了严重影响。
牛津大学的研究者们开发了一种突破性技术，有望为脑损伤患者提供定制的修复方案。研究者们首次证明，可以通过3D打印技术来模仿大脑皮层的结构，制造出神经细胞。这一研究成果已在《自然通讯》杂志上发表。
在这项新研究中，牛津大学的研究者们通过3D打印人类神经干细胞，制造出了一个双层的大脑组织。当这些细胞被植入到小鼠的大脑切片中时，它们与宿主组织展现出了令人信服的结构和功能整合。
图：研究人员使用干细胞 3D 打印分层脑组织（红色和蓝色），并与小鼠脑组织（蓝色）整合
该研究的通讯作者之一 Linna Zhou 表示：“我们的液滴打印技术提供了一种设计具有所需结构的活体 3D 组织的方法，这使我们更接近于创建针对脑损伤的个性化植入治疗。”
人类诱导多能干细胞（hiPSC）在组织再生治疗中具有巨大的应用潜力。它们是源自体细胞的人造干细胞，经过基因重新编程，形成胚胎干细胞样状态，赋予它们分化成身体任何细胞类型的独特能力。
在当前的研究中，研究人员首先将 hiPSC 分化为两种类型的神经祖细胞，旨在形成大脑皮层的上层和深层。这些层特异性祖细胞被用来创建两种生物墨水，并通过 3D 液滴打印（一种可以生产无支架软组织的打印技术）打印成分层组织。在将分层组织植入活体小鼠脑组织之前，让打印的祖细胞成熟，并在一周内监测它们的生长和活性。
图：从干细胞分化到 3D 打印脑组织植入过程的图示
含有人类 iPSC 衍生神经祖细胞的液滴经过 3D 打印，形成 2 层大脑皮层组织，并在植入小鼠脑切片之前进行培养。DNP：深层神经祖细胞；UNP：上层神经祖细胞。
植入的组织显示出与小鼠脑细胞的强烈整合，包括神经元过程的形成——传导和传递神经信号的手指状突起——以及神经元跨越植入物和宿主之间边界的迁移。植入的细胞还显示出与宿主细胞相关的信号活动，表明细胞之间正在相互通信并表现出功能和结构整合。
该研究的另一位通讯作者佐尔坦·莫尔纳尔 (Zoltán Molnár) 表示：“人类大脑发育是一个微妙而复杂的过程，有着复杂的编排。” “如果认为我们可以在实验室中重现整个细胞进程，那就太天真了。尽管如此，我们的 3D 打印项目在控制人类 iPSC 的命运和排列以形成大脑皮层的基本功能单元方面取得了实质性进展。”
由于人类大脑皮层有多达六层神经细胞，研究人员计划改进 3D 液滴打印技术，以创建更复杂、多层的组织，更真实地模仿大脑的结构。他们表示，除了打印的组织在修复脑损伤方面的潜在用途外，它还可以用于药物测试、大脑发育研究以及提高我们对认知的理解。
该研究的主要作者金永成表示：“这一进展标志着朝着制造具有天然脑组织完整结构和功能的材料迈出了重要一步。” “这项工作将为探索人类皮质的运作提供一个独特的机会，从长远来看，它将为遭受脑损伤的人带来希望。”
参考文献：Integration of 3D-Printed Cerebral Cortical Tissue into an ex vivo Lesioned Brain Slice, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-41356-w
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