3D 生物打印神經(jīng)模型：藥物研發(fā)的 “救星” 還是新挑戰(zhàn)？

來(lái)源：EFL生物3D打印與生物制造

在神經(jīng)組織工程領(lǐng)域，由于人類大腦組織獲取困難且現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗y以精準(zhǔn)模擬其發(fā)育與功能的復(fù)雜性，二維細(xì)胞培養(yǎng)和動(dòng)物模型存在諸多局限，三維（3D）生物打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它能夠構(gòu)建復(fù)雜的組織架構(gòu)，高度模擬人類大腦組織的結(jié)構(gòu)與功能，為研究神經(jīng)系統(tǒng)疾病和開(kāi)發(fā)新療法帶來(lái)希望。然而，目前3D生物打印的神經(jīng)模型在應(yīng)用于藥物篩選時(shí)面臨諸多挑戰(zhàn)，如缺乏對(duì)模型功能（包括化學(xué)、代謝等途徑）和機(jī)械相關(guān)性分析的標(biāo)準(zhǔn)化表征方法。  

來(lái)自加拿大維多利亞大學(xué)的Stephanie M. Willerth教授團(tuán)隊(duì)，綜述了近十年來(lái)3D生物打印神經(jīng)模型的研究進(jìn)展，重點(diǎn)探討了其在藥物發(fā)現(xiàn)方面的應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)詳細(xì)討論了各類神經(jīng)組織模型、生物墨水和添加劑、所用細(xì)胞類型、打印結(jié)構(gòu)形狀及培養(yǎng)時(shí)間，以及相關(guān)的表征方法。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)提出為推動(dòng)該技術(shù)在藥物篩選中的有效應(yīng)用，必須解決當(dāng)前表征方法缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題，未來(lái)應(yīng)注重在多個(gè)層面評(píng)估模型與體內(nèi)環(huán)境的相關(guān)性，以開(kāi)發(fā)出更具可行性的治療方案。相關(guān)工作以“Recent advances in 3D bioprinted neural models: A systematic review on the applications to drug discovery”為題發(fā)表在《Advanced Drug Delivery Reviews》上。

主要內(nèi)容
1. 通過(guò)對(duì)PubMed、Scopus和Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)文獻(xiàn)的系統(tǒng)檢索與篩選，研究了近十年3D生物打印神經(jīng)組織模型的發(fā)展情況，包括模型類型、生物墨水和添加劑、細(xì)胞類型、構(gòu)建體形狀、培養(yǎng)時(shí)間及表征方法等。結(jié)果表明，神經(jīng)組織模型的構(gòu)建使用了多種生物墨水和細(xì)胞類型，應(yīng)用廣泛，但在材料和細(xì)胞表征方面缺乏標(biāo)準(zhǔn)化。

圖1. 3D生物打印神經(jīng)組織模型中常見(jiàn)的細(xì)胞和機(jī)械表征技術(shù)概述。

2. 通過(guò)對(duì)46篇相關(guān)研究論文進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和分析，研究了不同3D生物打印神經(jīng)模型的具體構(gòu)建和特性。結(jié)果顯示，這些模型在模擬大腦、脊髓、腫瘤等組織時(shí)，使用的生物墨水、細(xì)胞類型和構(gòu)建體形狀各異，培養(yǎng)時(shí)間也有所不同，且在疾病建模、藥物發(fā)現(xiàn)和組織再生等方面展現(xiàn)出一定潛力。

圖2. 系統(tǒng)篩選過(guò)程。

3. 通過(guò)對(duì)不同生物墨水、細(xì)胞類型及構(gòu)建條件下的3D打印神經(jīng)模型進(jìn)行多方面表征測(cè)試，研究了這些模型的材料特性（如機(jī)械性能、物理性能、可打印性）和細(xì)胞相關(guān)特性（如細(xì)胞活力、增殖、蛋白質(zhì)表達(dá)、鈣成像、代謝活性和電生理學(xué)）。結(jié)果表明，各模型的表征方法差異較大，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，影響了對(duì)模型功能和適用性的評(píng)估。

圖3. 系統(tǒng)搜索結(jié)果。

4. 通過(guò)分析不同細(xì)胞類型在3D打印構(gòu)建體中的活力和蛋白質(zhì)表達(dá)隨培養(yǎng)時(shí)間的變化情況，研究了神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞在3D生物打印模型中的特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同細(xì)胞類型在不同培養(yǎng)時(shí)間下，細(xì)胞活力和蛋白質(zhì)表達(dá)呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，這有助于了解細(xì)胞在模型中的功能和行為。

圖4. 部分細(xì)胞表征評(píng)估總結(jié)（干細(xì)胞樣細(xì)胞類型）。

5. 通過(guò)分析不同細(xì)胞類型在3D打印構(gòu)建體中的活力和蛋白質(zhì)表達(dá)隨培養(yǎng)時(shí)間的變化情況，研究了成熟/有限譜系的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞（膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、膠質(zhì)瘤、神經(jīng)母細(xì)胞瘤）在3D生物打印模型中的特性。結(jié)果表明，不同細(xì)胞類型在不同培養(yǎng)階段，細(xì)胞活力和蛋白質(zhì)表達(dá)各有差異，為研究相關(guān)疾病和藥物篩選提供了重要依據(jù)。

圖5. 部分細(xì)胞表征評(píng)估總結(jié)（成熟/有限譜系細(xì)胞類型）。

6. 通過(guò)嵌入式生物打印技術(shù)和相關(guān)檢測(cè)手段，研究了在3D打印構(gòu)建體中生成真實(shí)人類神經(jīng)元的過(guò)程及神經(jīng)元的特性。結(jié)果顯示，該技術(shù)能有效實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的精確圖案化和長(zhǎng)期培養(yǎng)，神經(jīng)元在構(gòu)建體中可實(shí)現(xiàn)軸突延伸、神經(jīng)突起生長(zhǎng)，并呈現(xiàn)出特定的免疫染色特征，模擬了真實(shí)大腦組織的功能。

圖6. 在3D打印構(gòu)建體中生成真實(shí)的人類神經(jīng)元。

7. 通過(guò)總結(jié)和列舉各類細(xì)胞（如人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞、神經(jīng)祖細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元）研究中常用的細(xì)胞標(biāo)記物，研究了這些標(biāo)記物在3D生物打印神經(jīng)模型研究中的應(yīng)用。結(jié)果表明，這些標(biāo)記物可用于鑒定細(xì)胞類型、評(píng)估細(xì)胞分化階段和研究細(xì)胞功能，對(duì)深入理解神經(jīng)組織發(fā)育和疾病機(jī)制具有重要意義。

圖7. 各類細(xì)胞（包括人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞、神經(jīng)祖細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞（及其前體）和神經(jīng)元）研究中常用的細(xì)胞標(biāo)記物。

結(jié)論
本研究系統(tǒng)回顧了近十年3D生物打印神經(jīng)模型的文獻(xiàn)，著重分析大腦神經(jīng)組織模型及其藥物篩選應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，此類模型構(gòu)建采用了多種生物墨水和細(xì)胞類型，應(yīng)用廣泛，但在材料和細(xì)胞表征方法上缺乏標(biāo)準(zhǔn)化，這影響了對(duì)模型功能和相關(guān)性的準(zhǔn)確評(píng)估。  

為推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展，需提高研究方法的透明度和可重復(fù)性，標(biāo)準(zhǔn)化材料表征，強(qiáng)化與藥物發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化相關(guān)性研究。盡管3D生物打印技術(shù)為再生醫(yī)學(xué)和疾病治療帶來(lái)希望，但仍面臨挑戰(zhàn)，如血腦屏障建模難題。未來(lái)應(yīng)探索新方法改進(jìn)模型，整合生物信息學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等技術(shù)，提升模型的準(zhǔn)確性和功能�？傮w而言，3D生物打印神經(jīng)組織已取得一定進(jìn)展，能構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)并模擬相關(guān)神經(jīng)表型，但仍需克服諸多困難，以更好地服務(wù)于神經(jīng)科學(xué)研究和藥物開(kāi)發(fā)。

文章來(lái)源：https://doi.org/10.1016/j.addr.2025.115524