Cell Stem Cell：重磅！科学家开发出首个3D打印的功能性人类大脑组织！

由于缺乏可靠的人类神经组织来适应神经回路的动态功能评估，目前科学家们在探测人类神经网络是如何运行的仍然受到了一定的阻碍；近日，一篇发表在国际杂志Cell Stem Cell上题为“3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity”的研究报告中，来自威斯康星大学麦迪逊分校等机构的科学家们通过研究开发出了首个3D打印的脑组织，其或能像典型的大脑组织一样生长和发挥功能；这一成就具有非常重要的意义，其能帮助科学家们深入研究人类大脑并开发治疗一系列神经和神经发育障碍等疾病的新型疗法，比如阿尔兹海默病和帕金森疾病等。

研究者Su-Chun Zhang说道，这或许是一种强大的模型，其能帮助我们理解人类机体中脑细胞和部分大脑之间是如何交流的，同时也可能改变我们对干细胞生物学、神经科学以及很多神经和精神疾病发病机制的看法。据研究者介绍，打印方法限制了此前打印脑组织的成功。这项研究中，研究人员并没有利用传统的3D打印方法—垂直堆叠（stacking layers vertically），而是利用了水平堆叠的方式，他们将从诱导多能干细胞培养出来的神经元置于一种此前尝试使用的更加柔软的“生物墨水”凝胶中；这些组织仍然具有足够的结构能连接在一起，但其又足够柔软能促使神经元彼此生长且开始彼此交流，这些细胞能挨个排列，就好像桌子上的铅笔挨个排列一样。

研究者表示，这些组织能保持相对较薄的程度，这就使得神经元能更容易从生长介质中获取足够的氧气和营养物质；那么结果就不言而喻了，也就是说，细胞之间能相互交流，打印的细胞能通过介质在每个打印层和不同结构层之间形成连接，形成与人类大脑相当的网络。神经元能通过神经递质进行交流、发送信号，彼此之间相互作用，甚至与添加到打印组织中的支持细胞形成适当的网络。如今研究人员打印了大脑皮层和纹状体，这一研究结果让研究人员非常震惊，即使他们打印了属于大脑不同部位的不同细胞，其仍然能以一种非常特殊和特定的方式进行交流。这种打印技术提供了对细胞类型和排列的精准控制，而这在大脑类器官中是找不到的，类器官的生长往往缺乏一定的组织和控制。

科学家开发出首个3D打印的功能性人类大脑组织

图片来源：Cell Stem Cell (2024). DOI:10.1016/j.stem.2023.12.009

研究者Zhang表示，我们的实验室非常特别，因为我们能在任何时间产生几乎任何类型的神经元，然后我们几乎能在任何时候以我们喜欢的任何方式将其拼接起来，我们能按照设计好的方式来打印组织，而且我们也拥有一种明确的系统来观察人类大脑网络是如何运作的，也能非常具体地观察神经细胞之间如何在特定的状况下彼此相互交流。这种特殊性或许就提供了灵活性，打印的脑组织能被用来研究唐氏综合征患者机体脑细胞之间的信号转导，受阿尔兹海默病影响的健康组织和邻近组织之间的相互作用，且能帮助检测新型候选药物，甚至观察大脑组织的生长。

过去研究人员经常一次只观察一件事情，这意味着他们经常会错过一些关键的组分，我们的大脑能在网络中运行，而我们就想以这种方式来打印脑组织，因为细胞并不能自己运作，其能相互交流，而这就是大脑的工作方式。研究者指出，这种新型打印技术也应该被很多实验室所采用，其并不需要特殊的打印设备或培养方法来保持组织健康，并且可以利用显微镜，标准成像技术和该领域经常使用的电极进行深入研究。

目前研究人员想要探索这种设备专业化的潜力，从而进一步改善其生物墨水并优化设备从而用于在打印组织中事先细胞的定向；综上，本文研究结果表明，研究人员所设计的人类神经组织或许有望帮助理解人类神经网络的连接模式，并模拟机体的病理学过程且能作为药物测试的新型平台。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Yuanwei Yan，Xueyan Li，Yu Gao, et al. 3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity, Cell Stem Cell (2024). DOI:10.1016/j.stem.2023.12.009