Cell Stem Cell：张素春团队开发第一个3D打印的功能性人脑组织

威斯康星大学麦迪逊分校张素春团队在 Cell Stem Cell 期刊发表了题为：3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity 的研究论文。

该研究开发出了第一个3D打印的功能性人脑组织，它可以像典型的人脑组织一样生长和发挥作用。这对于研究大脑和治疗广泛的神经系统和神经发育障碍（例如阿尔茨海默病和帕金森病）来说具有重要意义。

虽然支架为打印神经组织提供了支撑结构，但它不是真正的3D生物打印或细胞生物打印，因为它不是通过直接将活细胞与生物墨水一起沉积来实现的。在这些培养中，首先通过3D打印制造支架或模具，然后将细胞播种在支架或模具上。支架或模具中的神经细胞分布不均匀，形成大而厚的聚集体或细胞簇。更重要的是，支架和模具不具有生物降解性，阻碍了神经细胞迁移，特别是层与层之间的神经网络形成。使用软凝胶（吉兰胶、藻酸盐或明胶混合纤维蛋白），并逐层垂直打印的3D生物打印神经组织，呈现出层状结构，具有一定程度的神经元成熟度。然而，这种3D打印的神经组织未能显示出组织层内或层间的功能性神经元-神经元或神经元-胶质细胞连接。

在这项研究中，张素春团队开发了一个3D生物打印平台，使用商业化生物打印机以所需的尺寸组装具有定义的人类3D神经组织，其中神经元和胶质细胞在组织层内和层间形成功能连接。

该平台是通过水平打印的方式实现的，而不像传统的3D打印那样垂直堆叠方式。这种水平打印方式将脑细胞（iPSC分化而来的神经元）放置在更柔软的“生物墨水”凝胶中。该组织具有足够的结构来结合在一起，但又足够柔软，可以让神经元相互生长并开始相互“交流”，这些细胞之间彼此相邻，就像桌面上彼此并排相邻的铅笔一样。这种打印方式打印的3D组相对较薄，这也使得神经元很容易培养中获得足够的氧气和营养。

打印的神经元前体在数周内分化为神经元，并在组织层内和层间形成特异性的功能神经回路，这由皮层到纹状体的投射、自发突触电流和对神经元兴奋的突触反应所证实。打印的星形胶质细胞前体通过复杂的过程发育成成熟的星形胶质细胞，并在生理和病理条件下对神经元兴奋的钙通量和谷氨酸摄取反应来表明，形成了功能性神经元-星形胶质细胞网络。

也就是说，该研究打印的3D人类神经组织的细胞之间可以相互交流，在每一层内喝层与层之间形成了连接，类似于人类大脑神经网络，其中的神经元之间通过神经递质进行交流、发送信号、相互作用，还与添加到打印组织中起到支撑作用的胶质细胞形成适当的网络。

该研究还打印了大脑皮层和纹状体，结果显示，即使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交流。

张素春教授表示，这种3D生物打印技术提供了更高的精确性，可以实现对细胞类型和排列进行控制，这是大脑类器官所不具备的，大脑类器官的生长缺乏组织和控制。

他还表示，我们实验室能够在任何时间生产几乎任何类型的神经元，然后几乎可以在任何时间以任何我们喜欢的方式把它们组合在一起，由于可以设计打印组织，就可以有一个明确的系统来观察人类大脑网络是如何运作的，可以非常具体地观察神经细胞在特定条件下如何相互通信。

总的来说，该研究开发了一种3D生物打印平台，成功打印了功能性人脑组织，该平台不仅可用于研究大脑健康和疾病，还可用于药物筛选和测试。