Команда ученых из Университета Висконсин-Мэдисон 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», — говорит Су-Чун Чжан, профессор нейробиологии и неврологии в Центре Вайсмана Университета Вашингтона 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, ученого из лаборатории Чжана, методы печати ограничили успех предыдущих попыток напечатать ткань мозга. Группа, стоящая за новым процессом 3D-печати, описывает свой метод в 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», — говорит 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», — говорит 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», — говорит 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. Затем мы можем собрать их вместе практически в любое время и любым способом», — говорит Чжан. «Поскольку мы можем напечатать ткань по дизайну, у нас может быть определенная система, позволяющая наблюдать за тем, 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 мы хотеть».
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 лекарств или даже наблюдения за ростом мозга.
«Раньше мы часто рассматривали одну вещь за раз, а это значит, что мы часто упускали некоторые важные компоненты. Наш мозг работает в сетях. Мы хотим печатать мозговую ткань таким образом, потому что клетки не работают сами по себе. Так устроен наш мозг, и его нужно изучать всем вместе, чтобы по-настоящему понять это», — говорит Чжан. «Нашу мозговую ткань можно использовать для изучения почти всех основных аспектов того, над чем работают многие люди в Центре Вайсмана. Ее можно использовать для изучения молекулярных механизмов, лежащих в основе развития мозга, человеческого развития, нарушений развития, нейродегенеративных расстройств и многого другого».
Новая технология печати также должна быть доступна многим лабораториям. Он не требует специального оборудования для биопечати или методов культивирования для поддержания здоровья тканей и может быть тщательно изучен 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», — говорит Ян. «Мы можем внести некоторые специализированные улучшения, которые помогут нам печатать определенные типы тканей мозга по требованию».
