Революционная ткань мозга, напечатанная на 3D-принтере, имитирует функции человека — Cell Stem Cell

Исследователи разработали первую в мире ткань головного мозга, напечатанную на 3D-принтере, которая растет и ведет себя аналогично естественной ткани мозга, что знаменует собой значительный шаг вперед в исследованиях неврологических заболеваний и расстройств нервно-психического развития.

Эта новая техника 3D-печати использует подход горизонтального наслоения и более мягкие биочернила, что позволяет нейронам соединяться между собой и формировать сети, подобные структурам человеческого мозга.

Способность точно контролировать типы и расположение клеток предоставляет беспрецедентные возможности для изучения функций и нарушений мозга в контролируемой среде, открывая новые возможности для тестирования лекарственных препаратов и понимания развития мозга и таких заболеваний, как болезни Альцгеймера и Паркинсона.

Команда ученых из Университета Висконсина (University of Wisconsin) разработала первую напечатанную на 3D-принтере ткань мозга, которая может расти и функционировать как типичная ткань мозга. Это достижение имеет важное значение для ученых, изучающих мозг и работающих над лечением широкого спектра неврологических нарушений и нарушений развития нервной системы, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона.

«Это может быть чрезвычайно мощная модель, которая поможет нам понять, как клетки и части мозга взаимодействуют у людей», — комментирует Су-Чун Чжан (Su-Chun Zhang), профессор нейробиологии и неврологии в Центре Вайсмана Университета Висконсина в Мэдисоне.

«Это может изменить наш взгляд на биологию стволовых клеток, нейробиологию и патогенез многих неврологических и психиатрических расстройств».

По словам Чжана и Юаньвэя Яня (Yuanwei Yan), ученого из лаборатории Чжана, методы печати ограничили успех предыдущих попыток напечатать ткань мозга. Группа ученых, стоящая за новым процессом 3D-печати, описала свой метод в научном журнале Cell Stem Cell.

Вместо использования традиционного подхода 3D-печати, укладывая слои вертикально, исследователи пошли горизонтально. Они поместили клетки головного мозга (нейроны, выращенные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток) в более мягкий гель «биочернила», чем использовали предыдущие попытки.

«Ткань все еще имеет достаточную структуру, чтобы удерживаться вместе, но она достаточно мягкая, чтобы позволить нейронам врастать друг в друга и начать разговаривать друг с другом», — добавляет Чжан.

Клетки располагаются рядом друг с другом, как карандаши, лежащие рядом на столе.

«Наши ткани остаются относительно тонкими, и это позволяет нейронам легко получать достаточно кислорода и питательных веществ из питательной среды», — объясняет Ян.

Результаты говорят сами за себя: клетки могут «разговаривать» друг с другом. Напечатанные клетки проникают через среду, образуя соединения внутри каждого напечатанного слоя, а также между слоями, образуя сети, сравнимые с человеческим мозгом.

Нейроны общаются, посылают сигналы, взаимодействуют друг с другом через нейротрансмиттеры и даже образуют правильные сети с опорными клетками, добавленными к напечатанной ткани.

«Мы напечатали кору головного мозга и полосатое тело, и то, что мы обнаружили, было весьма поразительным», — комментирует Чжан. «Даже когда мы напечатали разные клетки, принадлежащие разным частям мозга, они все равно могли разговаривать друг с другом совершенно особенным и специфическим образом».

Техника печати обеспечивает точность — контроль над типами и расположением клеток — чего нет в органоидах мозга — миниатюрных органах, используемых для изучения мозга. Органоиды растут с меньшей организованностью и контролем.

«Наша лаборатория уникальна тем, что мы можем производить практически любой тип нейронов в любое время. Тогда мы сможем собрать их вместе практически в любое время и любым способом», — добавляет Чжан.

«Поскольку мы можем напечатать ткань по дизайну, у нас может быть определенная система, позволяющая посмотреть, как работает сеть нашего человеческого мозга. Мы можем очень детально изучить, как нервные клетки общаются друг с другом в определенных условиях, потому что мы можем напечатать именно то, что хотим».

Эта специфика обеспечивает гибкость. Напечатанная ткань мозга может быть использована для изучения передачи сигналов между клетками при синдроме Дауна, взаимодействия между здоровой тканью и соседними тканями, пораженными болезнью Альцгеймера, тестирования новых потенциальных лекарственных препаратов или даже наблюдения за ростом мозга.

«Раньше мы часто рассматривали что-то одно, а это означает, что мы часто упускали из виду некоторые важные компоненты. Наш мозг работает в сетях. Мы хотим напечатать ткань мозга таким образом, потому что клетки не действуют сами по себе. Они разговаривают друг с другом. Так работает наш мозг, и нужно изучать все вместе, чтобы по-настоящему понять это», — добавляет Чжан.

«Нашу мозговую ткань можно использовать для изучения почти всех основных аспектов того, над чем работают многие люди в Центре Вайсмана. Его можно использовать для изучения молекулярных механизмов, лежащих в основе развития мозга, развития человека, нарушений развития, нейродегенеративных расстройств и многого другого».

Новая технология печати также должна быть доступна многим лабораториям. Она не требует специального оборудования для биопечати или методов культивирования для поддержания здоровья тканей и может быть тщательно изучена с помощью микроскопов, стандартных методов визуализации и электродов, уже распространенных в этой области.

Тем не менее, исследователи хотели бы изучить потенциал специализации, продолжая совершенствовать свои биочернила и совершенствовать свое оборудование, чтобы обеспечить специфическую ориентацию клеток внутри напечатанной ткани.

«На данный момент наш принтер представляет собой настольный коммерческий принтер», — заключает Ян. «Мы можем внести некоторые специализированные улучшения, которые помогут нам печатать определенные типы мозговой ткани по требованию».

Авторы другого исследования утверждают, что  высокое артериальное давление в 30 лет связано с ухудшением здоровья мозга в 70 лет.