牛津大學(xué)使用3D打印模擬大腦皮層結(jié)構(gòu)，有望修復(fù)腦損傷

2023年10月，南極熊獲悉，來自牛津大學(xué)的研究人員使用3D打印技術(shù)，有望為腦損傷患者提供“定制”的修復(fù)服務(wù)。研究人員證明，神經(jīng)細(xì)胞可以通過3D打印來模擬大腦皮層的結(jié)構(gòu)。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在了《Nature Communications》，題目為《Integration of 3D-printed cerebral cortical tissue into an ex vivo lesioned brain slice》（《將3D打印的大腦皮層組織整合到離體病變腦切片中》）。



研究背景



由腦損傷，包括外傷、中風(fēng)和腦腫瘤手術(shù)引起的損傷，通常會對大腦皮層（人腦的外層）造成嚴(yán)重?fù)p傷，導(dǎo)致認(rèn)知、運(yùn)動和溝通困難。參與該項(xiàng)目的研究人員表示，組織再生療法，尤其是那些植入源自患者自身干細(xì)胞的療法，可能是治療腦損傷的一種有效的途徑。研究小組表示，然而到目前為止，還沒有方法可以確保植入的干細(xì)胞模仿大腦的結(jié)構(gòu)。設(shè)計具有不同細(xì)胞類型和結(jié)構(gòu)的人體組織仍然具有挑戰(zhàn)性。大腦皮層具有分層細(xì)胞結(jié)構(gòu)，由組織成垂直列的層特定神經(jīng)元組成，通過錯綜復(fù)雜的連線神經(jīng)回路提供更高的認(rèn)知能力。

研究內(nèi)容
研究人員通過3D打印人類神經(jīng)干細(xì)胞制造了兩層腦組織，當(dāng)植入小鼠腦切片時，這些細(xì)胞顯示出與宿主組織令人信服的結(jié)構(gòu)和功能整合。具體來說，研究人員使用液滴打印技術(shù)來制造包含簡化大腦皮層柱的組織。人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞分化為上層和深層神經(jīng)祖細(xì)胞，然后打印形成具有兩層組織的大腦皮質(zhì)組織。這些組織表現(xiàn)出層特異性生物標(biāo)志物表達(dá)并形成結(jié)構(gòu)上整合的過程網(wǎng)絡(luò)。將打印的皮質(zhì)組織植入離體小鼠大腦外植體中，會導(dǎo)致植入物與宿主在組織邊界上發(fā)生實(shí)質(zhì)性的結(jié)構(gòu)整合，這一點(diǎn)可以通過突起的投射和神經(jīng)元的遷移來證明。

牛津大學(xué)化學(xué)系的Yongcheng Jin博士說：“這一進(jìn)展標(biāo)志著人類朝著制造具有天然腦組織完整結(jié)構(gòu)和功能的材料邁出了重要一步，將為探索人類皮質(zhì)的運(yùn)作提供一個獨(dú)特的機(jī)會，從長遠(yuǎn)來看，它將為遭受腦損傷的人帶來希望。”


△含有人類 iPSC 衍生神經(jīng)祖細(xì)胞的液滴經(jīng)過 3D 打印，形成 2 層大腦皮層組織，并在植入小鼠腦切片之前進(jìn)行培養(yǎng)。DNP：深層神經(jīng)祖細(xì)胞；UNP：上層神經(jīng)祖細(xì)胞。

皮質(zhì)結(jié)構(gòu)由人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSC）制成，它可以產(chǎn)生大多數(shù)人體組織中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞類型。研究人員表示，使用 hiPSC 進(jìn)行組織修復(fù)的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是可以很容易地從患者自身采集的細(xì)胞中獲得，并且不會引發(fā)免疫反應(yīng)。當(dāng)打印的組織被植入小鼠腦切片時，它們表現(xiàn)出很強(qiáng)的整合性，這可以通過神經(jīng)過程的投射和神經(jīng)元跨植入物-宿主邊界的遷移來證明。植入的細(xì)胞還表現(xiàn)出與宿主細(xì)胞相關(guān)的信號傳導(dǎo)活性，證明了功能和結(jié)構(gòu)的整合。

未來展望
研究人員打算進(jìn)一步完善液滴打印技術(shù)，以創(chuàng)建復(fù)雜的多層大腦皮層組織，更真實(shí)地模仿人類大腦的結(jié)構(gòu)。研究人員表示，這些工程組織不僅具有修復(fù)腦損傷的潛力，還可以用于藥物評估、大腦發(fā)育研究，并增進(jìn)對認(rèn)知基礎(chǔ)的理解。


△3D 打印的兩層大腦皮層組織在小鼠大腦切片中可視化，植入的神經(jīng)細(xì)胞用熒光標(biāo)記進(jìn)行標(biāo)記

來自牛津大學(xué)化學(xué)系的 Linna Zhou 博士說“我們的液滴打印技術(shù)提供了一種設(shè)計具有所需結(jié)構(gòu)的活體 3D 組織的方法，這使我們更接近于針對腦損傷的個性化植入治療的創(chuàng)建�！�

生理學(xué)、解剖學(xué)和遺傳學(xué)系的 Francis Szele 副教授補(bǔ)充道：“活體大腦切片的使用為探究 3D 打印在大腦修復(fù)中的效用創(chuàng)造了一個強(qiáng)大的平臺。它是研究體外 3D 打印皮質(zhì)柱發(fā)育和在損傷動物模型中將其融入大腦之間的天然橋梁�！�

研究作者Zoltán Molnár 教授表示：“人類大腦發(fā)育是一個微妙而復(fù)雜的過程，有著復(fù)雜的編排。如果認(rèn)為我們可以在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)整個細(xì)胞進(jìn)程，那就太天真了。盡管如此，我們的3D打印項(xiàng)目在控制人類 hiPSC 的命運(yùn)和排列以形成大腦皮層的基本功能單元方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展�！�

化學(xué)系教授Hagan Bayley表示：“這一未來主義的努力只能通過牛津大學(xué)馬丁學(xué)院鼓勵的高度多學(xué)科互動才能實(shí)現(xiàn)，其中包括牛津大學(xué)化學(xué)系以及生理學(xué)、解剖學(xué)和遺傳學(xué)系�！�