三维生物打印技术为神经科学研究提供“利器”

在神经科学研究领域，如何构建能够准确模拟大脑结构和功能的体外模型一直是科学家探索的重要课题。

近日，北京协和医院肝外科主任医生毛一雷、神经外科主任医生马文斌、中国医学科学院基础医学研究所副研究员杨楠在Advancedancedancedanced 在Science期刊上发表突破性成果。研究小组以3D生物打印技术而闻名 neumatrix的“微型大脑”为神经发育、疾病建模、药物筛查等领域的研究提供了高保真的“试验田”。

研究人员表示，传统的2D培养系统、神经球/器官和器官芯片不仅难以恢复真实大脑的多尺度特征，而且难以考虑空间布局、细胞异质性、神经电活动和转录特征。

随着中枢系统研究的不断推进，如何构建高保真模拟皮层神经网络的体外模型日益成为亟待突破的技术壁垒。

因此，研究小组以明胶甲基丙烯酰为材料基础，将胚胎发育第18天大鼠皮层神经元与每毫升1500万细胞密度相结合。通过挤出式3D生物打印机，层层叠叠形成7×7×1.5毫米的六层刚度矩形结构。该结构包括直径约500微米的连接通道，就像城市中的交通网络一样，可以有效地促进氧气和营养物质的交换。

随后，研究人员观察到，用这种方法打印出来的3D neumatrix可以形成以改善神经元为主体的细胞簇，然后保持自主神经。神经簇之间有非常丰富的轴突连接，不同的神经簇可以协同放电，即使是空间距离2mm的神经元集群也可以实现同步放电。随着培养时间的延长，3D neumatrix细胞群中钙信号的发放频率、发放群的比例和钙信号的全局相关性都在上升，这证明了3D neumatrix已经形成了一个独特的大规模功能神经网络。通过添加各种递质受体拮抗剂，观察放电模式的变化，研究人员明确表示该模型在功能学上具有药理反应能力。

单核RNA测序显示，3DRNA测序显示 neumatrix成功重现了大脑皮层的各种细胞类型，包括兴奋性神经元、抑制性神经元、神经祖细胞、星形胶质细胞等。随着培养时间的推移，3D neumatrix中的细胞类型将根据体内发育趋势不断演变。与体外培养的第一天相比，神经祖细胞在第七天减少，星形胶质细胞和少突胶质细胞增多，神经元逐渐成熟，神经凸起和递质分泌相关基因的表达水平不断提高。

3D neumatrix在疾病建模方面具有突出的潜力。研究小组以缺血性中风为例，通过氧糖去除/复氧处理模拟中风过程。数据显示，经过4小时的氧气和葡萄糖去除，3D neumatrix显示的变化趋势与中风大鼠模型的数据高度一致。这意味着3DMatrix。 neumatrix有望成为研究神经肌肉疾病发病机制和治疗方案的理想模型。

北京协和医院肝外科研究员杨华宇说，3D医院肝外科研究员杨华宇说 neumatrix还有一些需要改进的地方，比如大脑细胞外基质还不能完全模拟，细胞簇中心可能缺氧。然而，随着生物材料学和生物制造技术的演变，3D生物打印的“微型大脑”有望帮助人类理解大脑，治疗神经系统疾病，探索体外智力，实现跨越式发展。