牛津大学使用3D打印模拟大脑皮层结构，有望修复脑损伤

2023年10月，南极熊获悉，来自牛津大学的研究人员使用3D打印技术，有望为脑损伤患者提供“定制”的修复服务。研究人员证明，神经细胞可以通过3D打印来模拟大脑皮层的结构。他们的研究已经发表在了《Nature Communications》，题目为《Integration of 3D-printed cerebral cortical tissue into an ex vivo lesioned brain slice》（《将3D打印的大脑皮层组织整合到离体病变脑切片中》）。



研究背景



由脑损伤，包括外伤、中风和脑肿瘤手术引起的损伤，通常会对大脑皮层（人脑的外层）造成严重损伤，导致认知、运动和沟通困难。参与该项目的研究人员表示，组织再生疗法，尤其是那些植入源自患者自身干细胞的疗法，可能是治疗脑损伤的一种有效的途径。研究小组表示，然而到目前为止，还没有方法可以确保植入的干细胞模仿大脑的结构。设计具有不同细胞类型和结构的人体组织仍然具有挑战性。大脑皮层具有分层细胞结构，由组织成垂直列的层特定神经元组成，通过错综复杂的连线神经回路提供更高的认知能力。

研究内容
研究人员通过3D打印人类神经干细胞制造了两层脑组织，当植入小鼠脑切片时，这些细胞显示出与宿主组织令人信服的结构和功能整合。具体来说，研究人员使用液滴打印技术来制造包含简化大脑皮层柱的组织。人诱导多能干细胞分化为上层和深层神经祖细胞，然后打印形成具有两层组织的大脑皮质组织。这些组织表现出层特异性生物标志物表达并形成结构上整合的过程网络。将打印的皮质组织植入离体小鼠大脑外植体中，会导致植入物与宿主在组织边界上发生实质性的结构整合，这一点可以通过突起的投射和神经元的迁移来证明。

牛津大学化学系的Yongcheng Jin博士说：“这一进展标志着人类朝着制造具有天然脑组织完整结构和功能的材料迈出了重要一步，将为探索人类皮质的运作提供一个独特的机会，从长远来看，它将为遭受脑损伤的人带来希望。”


△含有人类 iPSC 衍生神经祖细胞的液滴经过 3D 打印，形成 2 层大脑皮层组织，并在植入小鼠脑切片之前进行培养。DNP：深层神经祖细胞；UNP：上层神经祖细胞。

皮质结构由人类诱导多能干细胞（hiPSC）制成，它可以产生大多数人体组织中发现的细胞类型。研究人员表示，使用 hiPSC 进行组织修复的一个关键优势是可以很容易地从患者自身采集的细胞中获得，并且不会引发免疫反应。当打印的组织被植入小鼠脑切片时，它们表现出很强的整合性，这可以通过神经过程的投射和神经元跨植入物-宿主边界的迁移来证明。植入的细胞还表现出与宿主细胞相关的信号传导活性，证明了功能和结构的整合。

未来展望
研究人员打算进一步完善液滴打印技术，以创建复杂的多层大脑皮层组织，更真实地模仿人类大脑的结构。研究人员表示，这些工程组织不仅具有修复脑损伤的潜力，还可以用于药物评估、大脑发育研究，并增进对认知基础的理解。


△3D 打印的两层大脑皮层组织在小鼠大脑切片中可视化，植入的神经细胞用荧光标记进行标记

来自牛津大学化学系的 Linna Zhou 博士说“我们的液滴打印技术提供了一种设计具有所需结构的活体 3D 组织的方法，这使我们更接近于针对脑损伤的个性化植入治疗的创建。“

生理学、解剖学和遗传学系的 Francis Szele 副教授补充道：“活体大脑切片的使用为探究 3D 打印在大脑修复中的效用创造了一个强大的平台。它是研究体外 3D 打印皮质柱发育和在损伤动物模型中将其融入大脑之间的天然桥梁。”

研究作者Zoltán Molnár 教授表示：“人类大脑发育是一个微妙而复杂的过程，有着复杂的编排。如果认为我们可以在实验室中重现整个细胞进程，那就太天真了。尽管如此，我们的3D打印项目在控制人类 hiPSC 的命运和排列以形成大脑皮层的基本功能单元方面取得了实质性进展。”

化学系教授Hagan Bayley表示：“这一未来主义的努力只能通过牛津大学马丁学院鼓励的高度多学科互动才能实现，其中包括牛津大学化学系以及生理学、解剖学和遗传学系。”