威斯康星大学麦迪逊分校的科学家团队开发出了第一个 3D 打印的脑组织，它可以像典型的脑组织一样生长和发挥作用。
这一成就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)的科学家来说具有重要意义。
“这可能是一个非常强大的模型，可以帮助我们了解人类的脑细胞和大脑部分如何进行交流，”威斯康星大学麦迪逊分校韦斯曼中心的神经科学和神经病学教授张素春说。“它可能会改变我们看待干细胞生物学、神经科学以及许多神经和精神疾病发病机制的方式。”
张和张实验室的科学家Yuanwei Yan表示，打印方法限制了之前打印脑组织的尝试的成功。新 3D 打印工艺背后的团队今天在《细胞干细胞》杂志上描述了他们的方法。
研究人员没有使用传统的 3D 打印方法，即垂直堆叠层，而是水平堆叠。他们将脑细胞(诱导多能干细胞生长的神经元)放置在比之前尝试使用的更柔软的“生物墨水”凝胶中。
“该组织仍然具有足够的结构来结合在一起，但它足够柔软，可以让神经元相互生长并开始相互交谈，”张说。
这些单元彼此相邻放置，就像桌面上彼此相邻的铅笔一样。
“我们的组织保持相对较薄，这使得神经元很容易从生长介质中获得足够的氧气和足够的营养，”严说。
结果不言而喻——也就是说，细胞可以互相交谈。打印的细胞穿过介质，在每个打印层内部以及跨层形成连接，形成与人脑相当的网络。神经元通过神经递质进行通信、发送信号、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。
“我们打印了大脑皮层和纹状体，我们的发现非常惊人，”张说。“即使我们打印了属于大脑不同部分的不同细胞，它们仍然能够以一种非常特殊和特定的方式相互交谈。”
打印技术提供了精确性——对细胞类型和排列的控制——这是大脑类器官(用于研究大脑的微型器官)所没有的。类器官的生长需要较少的组织和控制。
“我们的实验室非常特别，因为我们能够随时产生几乎任何类型的神经元。然后我们几乎可以在任何时间以任何我们喜欢的方式将它们拼凑在一起，”张说。“因为我们可以通过设计打印组织，所以我们可以有一个明确的系统来观察我们的人脑网络如何运作。我们可以非常具体地观察神经细胞在某些条件下如何相互通信，因为我们可以准确地打印出我们想要的内容。”
这种特殊性提供了灵活性。打印的脑组织可用于研究唐氏综合症细胞之间的信号传导、健康组织与受阿尔茨海默病影响的邻近组织之间的相互作用、测试新的候选药物，甚至观察大脑的生长。
“过去，我们经常一次只关注一件事，这意味着我们经常会错过一些关键组件。我们的大脑在网络中运行。我们希望以这种方式打印脑组织，因为细胞不能自行运作。他们互相交谈。这就是我们大脑的工作原理，必须像这样一起研究才能真正理解它，”张说。“我们的脑组织可以用来研究魏斯曼中心许多人正在研究的几乎所有主要方面。它可用于研究大脑发育、人类发育、发育障碍、神经退行性疾病等的分子机制。”
新的打印技术也应该可供许多实验室使用。它不需要特殊的生物打印设备或培养方法来保持组织健康，并且可以使用该领域已经常见的显微镜、标准成像技术和电极进行深入研究。
不过，研究人员希望探索专业化的潜力，进一步改进他们的生物墨水并改进他们的设备，以允许打印组织内细胞的特定方向。
“目前，我们的打印机是一台商用台式打印机，”Yan 说。“我们可以进行一些专门的改进，以帮助我们按需打印特定类型的脑组织。”