科学家用 3D 生物打印技术成功打造出功能性人类脑组织

多年来，科学家们一直在制造大脑“类器官”，但这种实验室培养的微小培养物存在局限性。最令人沮丧的问题之一是缺乏对类器官设计的控制，这通常会限制类器官的功能和使用。尽管研究人员长期以来怀疑 3D 打印可以提供解决方案，但迄今为止，这种解决方法已被证明是困难且无效的。然而，一项新的生产突破可能会解决长期存在的障碍，并有朝一日为探索治疗帕金森病和阿尔茨海默病等疾病的新方法提供新的途径。

据《细胞干细胞》杂志新一期报道，威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员开发了一种新颖的 3D 打印方法，用于创建生长和运作方式与脑组织相似的培养物。传统的 3D 打印需要像蛋糕一样垂直分层“生物墨水”，而该团队则让他们的机器水平打印，就像玩多米诺骨牌一样。

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据New Atlas介绍，研究人员将多能干细胞（能够发育成多种不同细胞类型的细胞）培养的神经元放入一种新的生物墨水凝胶中，这种凝胶由纤维蛋白原和凝血酶制成，这两种生物材料与血液凝固有关。然后加入其他水凝胶，帮助松散生物墨水，以解决之前 3D 打印组织实验中遇到的 3 个问题。

据该研究负责人、威斯康星大学麦迪逊分校神经科学和神经病学教授张苏春介绍，由此产生的组织具有足够的弹性来维持其结构，同时也具有足够的延展性，可以为神经元提供足够的氧气和营养摄入。

张教授在最近的大学简介中解释道：“这种组织仍然具有足够的结构来维系在一起，但它又足够柔软，可以让神经元相互生长并开始相互交流。”

由于新组织细胞为水平结构，它们不仅在每一层内形成连接，而且在每一层之间也形成连接，就像人类神经元一样。由于产生神经递质，新结构可以相互作用，甚至在 3D 打印组织内形成支持细胞网络。

在这些实验中，研究小组打印了大脑皮层和纹状体培养物。尽管它们负责的功能截然不同——前者与思维、语言和自主运动有关，后者与视觉信息有关——但这两种 3D 打印组织仍然可以“以一种非常特殊和具体的方式”进行交流，张说。

张教授表示，研究人员认为他们的技术不仅限于创造这两种类型的培养物，理论上“几乎可以随时创造任何类型的神经元”。这意味着 3D 打印方法最终可以帮助研究大脑健康部分如何与阿尔茨海默氏症患者大脑部分相互作用，检查唐氏综合症的细胞信号通路，以及使用组织测试新药。

“我们的大脑是在网络中运作的，”张解释说。“我们希望以这种方式打印脑组织，因为细胞不能独立运作。它们会相互交流。这就是我们大脑的运作方式，必须像这样一起研究才能真正理解它。”