Группа учёных из Университета штата Висконсин в Мадисоне разработала 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 болезни Альцгеймера и Паркинсона.

«Это может стать очень мощной моделью, которая поможет нам понять, как клетки и части мозга взаимодействуют у человека», — говорит Су-Чун Чжан, профессор нейронаук и неврологии в Центре Вайсмана при Университете Вашингтона в Мэдисоне. «Это может изменить наш взгляд на биологию стволовых клеток, неврологию и патогенез многих неврологических и психических расстройств».

По словам Чжана и Юаньвэя Яна, ученого из лаборатории Чжана, методы печати ограничивали успех предыдущих попыток напечатать ткани мозга. Группа, создавшая новый процесс 3D-печати, описала свой метод в журнале Cell Stem Cell.


Су-Чун Чжан.

Цель исследователей — создать многослойную нейронную ткань, в которой нейронные прогениторные клетки (NPC) созревают и образуют связи (синапсы) внутри и между слоями, сохраняя при этом структуру. В качестве «биочернил», или биоматериала, используемого для печати тканей, они выбрали фибриновый гидрогель, состоящий в основном из фибриногена и тромбина, поскольку он биосовместим с нейронными 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 эту смесь, выжило и созрело. Добавление еще и водорода сделало биочернила более мягкими, чем те, что использовались ранее.

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.

Кроме того, они поместили клетки мозга — нейроны, выращенные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, — в более мягкий гель («био-чернила»), чем использовался в предыдущих попытках.

Чтобы предотвратить смешивание напечатанных полос, сразу после нанесения смеси в качестве сшивающего агента использовали тромбин.

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

«Ткань по-прежнему имеет достаточную структуру, чтобы держаться вместе, но она достаточно мягкая, чтобы позволить нейронам прорастать друг в друга и начинать общаться друг с другом», — говорит Чжан.

Клетки располагаются рядом друг с другом, как карандаши на столешнице.

«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 — то есть клетки могут разговаривать друг с другом. Напечатанные клетки проникают сквозь среду и образуют связи внутри каждого напечатанного слоя, а также между слоями, формируя сети, сравнимые с человеческим мозгом. Нейроны общаются, посылают сигналы, взаимодействуют друг с другом через нейротрансмиттеры и даже формируют соответствующие сети с помощью вспомогательных клеток, которые были добавлены в напечатанную ткань.

«Мы напечатали кору головного мозга и стриатум (полосатое тело) и то, что мы обнаружили, было просто поразительно», — говорит Чжан. «Даже когда мы напечатали разные клетки, принадлежащие к разным частям мозга, они все равно могли общаться друг с другом совершенно особым и специфическим образом».

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

«Наша лаборатория особенна тем, что мы можем производить практически любые типы нейронов в любое время. Затем мы можем собирать их вместе практически в любое время и любым удобным для нас способом», — говорит Чжан. «Поскольку мы можем печатать ткани по дизайну, у нас есть определенная система, позволяющая изучить, как работает сеть человеческого мозга. Мы можем очень точно изучить, как нервные клетки общаются друг с другом в определенных условиях, потому что мы можем напечатать именно то, что нам нужно».

Такая специфичность обеспечивает гибкость. Напечатанную ткань мозга можно использовать для изучения передачи сигналов между клетками при синдроме Дауна, взаимодействия между здоровыми тканями и соседними, пораженными болезнью Альцгеймера, тестирования новых лекарственных препаратов или даже наблюдения за ростом мозга.

«В прошлом мы часто рассматривали что-то одно, поэтому часто упускали некоторые важные компоненты. Наш мозг работает в сетях. Мы хотим печатать ткани мозга таким образом, потому что клетки не работают сами по себе. Они общаются друг с другом. Именно так работает наш мозг и его нужно изучать весь вместе, чтобы по-настоящему понять его», — говорит Чжан.

«Ткань нашего мозга может быть использована для изучения практически всех основных аспектов того, над чем работают многие сотрудники Центра Вайсмана. С ее помощью можно изучать молекулярные механизмы, лежащие в основе развития мозга, развития человека, нарушений развития, нейродегенеративных заболеваний и многого другого».

Новая техника печати также должна быть доступна для многих лабораторий. Она не требует специального оборудования для биопечати или методов культивирования для поддержания здоровья ткани и может быть глубоко изучена с помощью микроскопов, стандартных методов визуализации и электродов, уже распространенных в данной 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.


Юаньвэй Ян, ведущий автор исследования из лаборатории Чжана в UW-Madison.

«На данный момент наш принтер представляет собой настольный коммерческий принтер», — сказал ведущий автор исследования Юаньвэй Янь. „Мы можем внести некоторые специализированные улучшения, которые помогут нам печатать определенные типы мозговой ткани по запросу“.


Ссылка на исследование: www.cell.com

Это исследование было частично поддержано NIH-NINDS (NS096282, NS076352, NS086604), NICHD (HD106197, HD090256), the National Medical Research Council of Singapore (MOH-000212, MOH-000207), Ministry of Education of Singapore (MOE2018-T2-2-103), Aligning Science Across Parkinson’s (ASAP-000301), the Bleser Family Foundation, and the Busta Foundation.


Использованные источники:

newatlas.com

news.wisc.edu