研究人员首次3D打印功能性人类脑组织，为研究和治疗神经系统疾病开辟新途径

2024年2月2日，南极熊获悉，威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员成功开发了首个通过3D打印技术制造的脑组织，该组织能够模拟典型脑组织的生长和功能。

△具有功能连接的人体神经组织生物3D打印

这一科学突破对于深入研究大脑以及治疗各种神经系统和神经发育障碍，如阿尔茨海默病和帕金森病等疾病具有重要意义。

△Su-Chun Zhang

威斯康星大学麦迪逊分校魏斯曼中心的神经科学和神经病学教授Su-Chun Zhang表示：“这可能是一个非常强大的模型，可以帮助我们深入了解人类脑细胞以及大脑不同部分之间的交流方式。” 他进一步指出，这一技术可能会彻底改变我们对干细胞生物学、神经科学以及多种神经和精神疾病发病机制的认识方式。

△Yan Yuanwei

该科学团队的研究人员Yuanwei Yan强调，新的3D打印方法克服了之前尝试打印脑组织时所面临的限制。

研究人员采用了水平堆叠而非传统的垂直堆叠方法进行3D打印。在这一过程中，他们将脑细胞（诱导多能干细胞生长的神经元）置于比之前尝试的更柔软的生物墨水凝胶中。

Zhang教授表示：“尽管该组织仍然具有足够的结构来有效连接，但它足够柔软，有助于神经元之间的相互生长和交流。”

这些单元被相邻地放置，类似于桌面上相邻的铅笔。Yan解释：“我们的组织保持相对较薄，这使得神经元能够轻松从生长介质中获得足够的氧气和养分。”

△该团队详细描述了他们的方法，并在《细胞干细胞》杂志上发布了相关研究成果，题目为“具有功能连接的人体神经组织生物3D打印”（传送门）

3D打印脑细胞实验结果

结果不言而喻。也就是说，细胞之间可以相互对话。3D打印细胞通过介质在每个印制层内部以及跨印制层之间建立联系，形成可与人类大脑媲美的网络。神经元通过神经递质进行交流、发送信号、相互影响，甚至与添加到打印组织中的支持细胞形成适当的网络。

Zhang教授说：“我们打印了大脑皮层和纹状体，结果发现非常惊人。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对话。”

这种打印技术提供了对细胞类型和排列的精确控制，这在脑类器官(用于研究大脑的微型器官)中是找不到的。类器官的生长缺乏组织和控制。

△纤维蛋白水凝胶中hPSC衍生神经元的存活和分化

Zhang教授表示：“我们的实验室非常特别，因为我们能够在任何时候生产几乎任何类型的神经元。然后，我们几乎可以在任何时候以任何我们喜欢的方式将它们组合在一起。因为我们可以按设计打印组织，所以，我们可以有一个确定的系统来研究人类大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特定条件下是如何相互对话的，因为我们可以精确地打印出我们想要的东西。”

通过该技术，研究人员可以在任何时候生产几乎任何类型的神经元，并以所需的方式将它们组合在一起。这使他们能够设计并打印出符合特定条件的组织，从而观察神经细胞在特定环境下如何相互对话。这项研究为深入了解人类大脑的功能和结构提供了有力工具。