干細(xì)胞3D打印組織幫助修復(fù)腦損傷

來源： ML聯(lián)合細(xì)胞研究中心

腦損傷，包括由創(chuàng)傷、中風(fēng)和腦腫瘤手術(shù)引起的損傷，通常會導(dǎo)致大腦皮層（人腦的外層）嚴(yán)重受損，導(dǎo)致認(rèn)知、運(yùn)動和溝通困難。每年，全球約有7000萬人受到創(chuàng)傷性腦損傷（TBI）的影響，其中500萬例為重度或致命。目前，對于重度腦損傷并沒有有效的治療方法，這對患者的生活質(zhì)量造成了嚴(yán)重影響。

牛津大學(xué)的研究者們開發(fā)了一種突破性技術(shù)，有望為腦損傷患者提供定制的修復(fù)方案。研究者們首次證明，可以通過3D打印技術(shù)來模仿大腦皮層的結(jié)構(gòu)，制造出神經(jīng)細(xì)胞。這一研究成果已在《自然通訊》雜志上發(fā)表。

在這項新研究中，牛津大學(xué)的研究者們通過3D打印人類神經(jīng)干細(xì)胞，制造出了一個雙層的大腦組織。當(dāng)這些細(xì)胞被植入到小鼠的大腦切片中時，它們與宿主組織展現(xiàn)出了令人信服的結(jié)構(gòu)和功能整合。

圖：研究人員使用干細(xì)胞 3D 打印分層腦組織（紅色和藍(lán)色），并與小鼠腦組織（藍(lán)色）整合

該研究的通訊作者之一 Linna Zhou 表示：“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，這使我們更接近于創(chuàng)建針對腦損傷的個性化植入治療�！�

人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSC）在組織再生治療中具有巨大的應(yīng)用潛力。它們是源自體細(xì)胞的人造干細(xì)胞，經(jīng)過基因重新編程，形成胚胎干細(xì)胞樣狀態(tài)，賦予它們分化成身體任何細(xì)胞類型的獨(dú)特能力。

在當(dāng)前的研究中，研究人員首先將 hiPSC 分化為兩種類型的神經(jīng)祖細(xì)胞，旨在形成大腦皮層的上層和深層。這些層特異性祖細(xì)胞被用來創(chuàng)建兩種生物墨水，并通過 3D 液滴打印（一種可以生產(chǎn)無支架軟組織的打印技術(shù)）打印成分層組織。在將分層組織植入活體小鼠腦組織之前，讓打印的祖細(xì)胞成熟，并在一周內(nèi)監(jiān)測它們的生長和活性。

圖：從干細(xì)胞分化到 3D 打印腦組織植入過程的圖示

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。

植入的組織顯示出與小鼠腦細(xì)胞的強(qiáng)烈整合，包括神經(jīng)元過程的形成——傳導(dǎo)和傳遞神經(jīng)信號的手指狀突起——以及神經(jīng)元跨越植入物和宿主之間邊界的遷移。植入的細(xì)胞還顯示出與宿主細(xì)胞相關(guān)的信號活動，表明細(xì)胞之間正在相互通信并表現(xiàn)出功能和結(jié)構(gòu)整合。

該研究的另一位通訊作者佐爾坦·莫爾納爾 (Zoltán Molnár) 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)為我們可以在實驗室中重現(xiàn)整個細(xì)胞進(jìn)程，那就太天真了。盡管如此，我們的 3D 打印項目在控制人類 iPSC 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質(zhì)性進(jìn)展。”

由于人類大腦皮層有多達(dá)六層神經(jīng)細(xì)胞，研究人員計劃改進(jìn) 3D 液滴打印技術(shù)，以創(chuàng)建更復(fù)雜、多層的組織，更真實地模仿大腦的結(jié)構(gòu)。他們表示，除了打印的組織在修復(fù)腦損傷方面的潛在用途外，它還可以用于藥物測試、大腦發(fā)育研究以及提高我們對認(rèn)知的理解。

該研究的主要作者金永成表示：“這一進(jìn)展標(biāo)志著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�！� “這項工作將為探索人類皮質(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�！�


參考文獻(xiàn)：Integration of 3D-Printed Cerebral Cortical Tissue into an ex vivo Lesioned Brain Slice, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-41356-w