供稿人：白路歌、王玲 供稿單位：西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-10-31
了解人腦神經(jīng)網(wǎng)絡的運作機制，對于探索大腦的健康和疾病至關重要。然而，由于動物和人類在神經(jīng)元組成、突觸整合和神經(jīng)網(wǎng)絡方面的差異，動物模型不能精確地概括人類大腦的高階信息處理功能，因此需要一種可用于功能網(wǎng)絡評估的可靠的活體人類神經(jīng)組織模型。為了解決此問題，來自威斯康辛大學的張素春團隊構建了基于纖維蛋白原水凝膠的生物墨水體系，使用商業(yè)生物打印機將不同類型的人類神經(jīng)細胞以所需的尺寸進行組裝，形成具有特異性的功能性神經(jīng)回路。
首先，研究者通過人神經(jīng)祖細胞（hNPCs）的存活率確定了生物墨水的濃度和交聯(lián)條件（圖1A-1C），最終選擇2.5 mg/mL纖維蛋白原和0.5 U凝血酶進行水凝膠構建，交聯(lián)時間為145±10 s。在此條件下hNPCs的7天存活率維持在80%以上。在打印后第4天，hNPCs分化為所需的TUJ1+神經(jīng)元（圖1D），逐漸表達成熟的神經(jīng)元標記物MAP2和NeuN并呈現(xiàn)出椎體形態(tài)（圖1E, 1F)，第35天在神經(jīng)突上觀察到突觸點（圖1H, 1I），第40天出現(xiàn)樹突棘標志物（圖1G），這些證明纖維蛋白凝膠支持人神經(jīng)祖細胞向皮層神經(jīng)元的成熟和突觸發(fā)生。
圖1 生物墨水濃度及交聯(lián)條件對人神經(jīng)祖細胞的影響
因為纖維蛋白凝膠具有高粘度而無法打印，因此研究者將纖維蛋白凝膠與透明質酸混合得到可打印生物墨水，使用表達mCherry的紋狀體神經(jīng)元（紅色）和表達GFP的皮層神經(jīng)元（綠色），打印了層寬為50mm的水平分層結構（圖2A）。打印后的15天內，皮質和紋狀體神經(jīng)元帶保持著良好的組織分離，但其神經(jīng)突相向生長形成物理接觸（圖2B）。有趣的是，研究者發(fā)現(xiàn)層間特異性地形成了從皮質神經(jīng)元到紋狀體神經(jīng)元的軸突投射模式（圖2C），這與在體情況十分相似。研究者進一步打印了表達黃色熒光蛋白的皮質神經(jīng)元與表達紅鈣指示物的紋狀體神經(jīng)元（圖2D, 2E），鈣信號檢測結果（圖2F-2H）和電生理記錄（圖2I-2N）都表明刺激皮質神經(jīng)元會引起紋狀體神經(jīng)元的反應，證明了打印組織中形成的神經(jīng)元網(wǎng)絡的驚人特異性。
持人神經(jīng)祖細胞向皮層神經(jīng)元的成熟和突觸發(fā)生。
圖2 皮層-紋狀體神經(jīng)組織的打印及形態(tài)、功能評價
此外，研究者采用此打印平臺，使用了皮質谷氨酸能神經(jīng)元等其他神經(jīng)元亞型以及星形膠質細胞，構建了多種不同的功能性神經(jīng)網(wǎng)絡乃至阿爾茲海默癥模型，大大擴展了此打印平臺的應用范圍。
綜上所述，這項研究開發(fā)了一種適合于分化神經(jīng)元的生存、神經(jīng)突生長和突觸形成的生物墨水，并通過水平打印條帶設計了一種特殊的組織圖案，易于活細胞成像和電生理記錄。打印的神經(jīng)組織在2-5周內形成了功能性神經(jīng)網(wǎng)絡，為在生理和病理條件下檢測人類神經(jīng)網(wǎng)絡提供了一個明確的平臺，具有良好的應用前景。