供稿人:王森、王玲 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2020-12-18
由于體外和動(dòng)物模型欠佳，因此目前對(duì)人腦發(fā)育的理解仍處于初級(jí)階段。特別是尚不清楚初始細(xì)胞位置分布如何影響之后的人類(lèi)皮質(zhì)發(fā)育，因?yàn)轶w外控制皮質(zhì)細(xì)胞的空間分布技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。生物3D打印提供了定制化結(jié)構(gòu)的快速制造方法。但大腦是最柔軟的組織之一，而目前的生物打印較硬的材料，形成機(jī)械支撐支架，或直接打印含細(xì)胞的基于多糖聚合物的比大腦硬的組織，無(wú)法很好的復(fù)現(xiàn)胞外基質(zhì)（ECM）的復(fù)雜特性。
近期，牛津大學(xué)化學(xué)系的Hagan Bayley團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于脂雙層支撐的3D打印技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了載細(xì)胞的柔軟且生物相容性好的ECM材料—基質(zhì)膠（Matrigel）的打印，打印的神經(jīng)細(xì)胞最長(zhǎng)可存活達(dá)100天，并對(duì)時(shí)間相關(guān)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育事件提供了深入的洞察和分析。所謂脂雙層支撐的3D打印技術(shù)是指：將含細(xì)胞的ECM液滴在脂質(zhì)的油浴中打印，相鄰的液滴之間形成了界面雙層膜（DIB）（圖1a），它為支持打印的液滴網(wǎng)絡(luò)3D結(jié)構(gòu)和促進(jìn)設(shè)計(jì)圖案形成提供了關(guān)鍵附著力，并可通過(guò)改變噴嘴尺寸和打印脈沖的幅值和持續(xù)時(shí)間調(diào)節(jié)打印液滴的直徑（圖1b）。在后續(xù)的Matrigel的凝膠化過(guò)程中采取步進(jìn)式的升溫方案，以維持液滴之間的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。（如圖1d）
圖1 脂雙層支撐的液滴軟組織生物3D打印
研究人員打印并培養(yǎng)含人神經(jīng)干細(xì)胞的三維陣列結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了不同細(xì)胞密度的神經(jīng)組織構(gòu)建的可行性，以及它們?cè)陂L(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的自組織和分化能力，并利用鈣離子成像驗(yàn)證打印結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元功能性，結(jié)果顯示打印4天后出現(xiàn)自發(fā)鈣離子振蕩，44天后顯示出更頻繁和規(guī)則的鈣離子振蕩，網(wǎng)絡(luò)連通性更高。
進(jìn)一步的，設(shè)計(jì)了內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)，引發(fā)了一系列皮質(zhì)發(fā)育特征，包括神經(jīng)元遷移，分化，軸突生長(zhǎng)和星形膠質(zhì)形成，并發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)神經(jīng)束的晚期發(fā)育事件有深遠(yuǎn)影響（圖2）。
圖2 星形膠質(zhì)細(xì)胞在預(yù)先形成圖案的皮質(zhì)組織中誘導(dǎo)軸突束
最后，結(jié)合結(jié)合快速細(xì)胞編程方法在短時(shí)間內(nèi)構(gòu)建由人神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成的定制化結(jié)構(gòu)的皮質(zhì)組織，進(jìn)一步驗(yàn)證了神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞之間的不可逆的化學(xué)排斥作用。
該研究開(kāi)發(fā)了一種打印ECM類(lèi)軟組織的全新方法，可以構(gòu)建預(yù)設(shè)計(jì)細(xì)胞類(lèi)型和結(jié)構(gòu)的類(lèi)腦組織，在洞察大腦發(fā)育及疾病過(guò)程建模等方面有良好的應(yīng)用前景。