Исследователи впервые напечатали функциональную ткань головного мозга человека на 3D-принтере

Исследователи использовали новую технику для 3D-печати ткани мозга, клетки которой превратились в функциональные нейроны, которые общались друг с другом в течение нескольких недель. Ученые говорят, что этот подход можно использовать для изучения здорового и нездорового мозга, тестирования лекарств или просто наблюдения за развитием мозга.

Создание органа, максимально приближенного к реальному, имеет важное значение для исследований, изучающих патологию заболеваний и тестирования новых лекарств.

Мозг сталкивается с особыми проблемами, включая тот факт, что нейроны, выращенные в лаборатории, должны формировать функциональные связи, а ткань мозга должна поддерживать сложную, но хрупкую архитектуру.

Нейробиологи из Университета Висконсин-Мэдисон (UW-Madison) успешно напечатали на 3D-принтере ткань мозга, которая растет и функционирует как типичный мозг.

«Это может стать чрезвычайно мощной моделью, которая поможет нам понять, как клетки и части мозга общаются у людей», — сказал Су-Чун Чжан, автор исследования. «Это может изменить наш взгляд на биологию стволовых клеток, нейробиологию и патогенез многих неврологических и психиатрических расстройств».

Исследователи стремились создать многослойную нервную ткань, в которой нервные клетки-предшественники (NPC) созревают и образуют связи (синапсы) внутри и между слоями, сохраняя при этом структуру. Они выбрали гидрогель фибрина, состоящий в основном из фибриногена и тромбина, в качестве «биочернил» или биоматериала, используемого для печати на тканях, поскольку он биосовместим с нервными клетками. И фибриноген, и тромбин играют роль в свертывании крови.

Высокая вязкость фибринового геля затрудняла печать, поэтому исследователи смешали его с гидрогелем гиалуроновой кислоты, отметив, что большое количество NPC, помещенных в смесь, выжило и созрело.

Вместо использования традиционного подхода 3D-печати с вертикально расположенными слоями, который требует плотных биочернил, напечатанных толстыми слоями, исследователи создали узорчатую ткань, печатая один тонкий слой или полосу насыщенного клетками геля рядом с другим горизонтально. Чтобы предотвратить смешивание напечатанных полос, сразу после нанесения смеси в качестве сшивающего агента использовался тромбин.

Хотя напечатанные клетки оставались в пределах отведенных им слоев, нейроны образовывали функциональные синаптические связи внутри слоев и между ними в течение двух-пяти недель после печати.

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

Исследователи попытались напечатать ткань мозга, используя различные комбинации клеток в биочернилах.

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

Исследователи говорят, что их подход обеспечивает точность определения типов и расположения клеток, чего не дают органоиды и другие методы печати. А техника печати не требует специального оборудования или методов культивирования для поддержания здоровья ткани, а это означает, что она должна быть доступна для многих лабораторий.

Напечатанная ткань мозга может быть использована для изучения межклеточной передачи сигналов при синдроме Дауна, взаимодействия между здоровыми тканями и клетками, пораженными болезнью Альцгеймера, тестирования новых потенциальных лекарств или просто наблюдения за развитием мозга.

«Раньше мы часто рассматривали что-то одно, а это означает, что мы часто упускали из виду некоторые важные компоненты», — сказал Чжан. «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 его нужно изучать комплексно, чтобы по-настоящему понять».

Исследование было опубликовано в журнале Cell Stem Cell.