研究人員利用一種新技術三維列印出了腦組織，其細胞在數週內就發育成了能相互溝通的功能性神經元。他們說，這種方法可用於研究健康和不健康的大腦、測試藥物，或只是觀察大腦如何發育。

研究人員用3D 列印出能像一般腦組織一樣生長運作的腦組織

創建一個盡可能接近真實的器官對於探索疾病病理和測試新藥的研究至關重要。大腦面臨特殊的挑戰，包括在實驗室中培育的神經元必須形成功能性連接，而腦組織需要支持複雜而微妙的結構。

威斯康辛大學麥迪遜分校（UW-Madison）的研究人員成功地用三維列印技術列印出了能像普通大腦一樣生長和運作的腦組織。

這項研究的通訊作者張素春說：「這可能是一個非常強大的模型，幫助我們了解人類腦細胞和大腦部分是如何交流的。它可以改變我們看待幹細胞生物學、神經科學以及許多神經和精神疾病發病機轉的方式。”

研究人員的目標是建構分層神經組織，使神經祖細胞（NPC）在層內和層間成熟並形成連結（突觸），同時保持結構不變。他們選擇了一種主要由纖維蛋白原和凝血酶組成的纖維蛋白水凝膠作為”生物墨水”，即用於組織印刷的生物材料，因為它與神經細胞具有生物相容性。纖維蛋白原和凝血酶都在凝血過程中發揮作用。

纖維蛋白凝膠的高黏度使其難以列印，因此研究人員將其與透明質酸水凝膠混合，放入混合物中的NPC存活和成熟的數量更多，而加入另一種氫使他們的生物墨水比以前使用的生物墨水更柔軟。

研究人員沒有採用傳統的垂直疊層三維列印方法（這種方法需要厚層列印堅硬的生物墨水），而是透過水平列印一個薄層或細胞注入凝膠帶，將其緊鄰另一個薄層或細胞注入凝膠帶，從而創造出圖案化組織。為了防止印製帶混合，研究人員在混合物沉積後立即使用凝血酶作為交聯劑。

雖然印刷的細胞停留在指定的層內，但在列印後的兩到五週內，神經元在層內和層間形成了功能性突觸連接。

張說：”這種組織仍然有足夠的結構來支撐在一起，但它又足夠柔軟，可以讓神經元相互生長並開始對話。我們的組織保持相對較薄，這使得神經元很容易從生長介質中獲得足夠的氧氣和養分。”

研究人員嘗試在生物墨水中使用不同的細胞組合來列印腦組織。

該研究的第一作者、華大麥迪遜分校張實驗室的嚴元偉研究員

“我們印製了大腦皮層和紋狀體，我們的發現非常驚人，”張說。 “即使我們印製了屬於大腦不同部位的不同細胞，它們仍然能夠以一種非常特殊和特定的方式相互對話。”

研究人員說，他們的方法可以精確控制細胞的類型和排列，而器官組織和其他列印方法則無法做到這一點。而且這種列印技術不需要特殊的設備或培養方法來保持組織的健康，這意味著許多實驗室都可以使用這種技術。

張說：”我們的實驗室非常特別，因為我們能夠在任何時候生產幾乎任何類型的神經元，然後，我們幾乎可以在任何時候以任何方式將它們組合在一起，有一個確定的系統來研究人類大腦網路是如何運作的。

研究人員計劃對生物墨水和設備進行改進，以便在列印組織中實現特定的細胞定向。

“現在，我們的印表機是一台桌上型商業化印表機，”該研究的主要作者顏元偉說。 “我們可以進行一些專門的改進，幫助我們按需列印特定類型的腦組織。”

研究人員說，所印製的腦組織可用於研究唐氏症的細胞-細胞訊號傳導、健康組織與受阿茲海默症影響的組織之間的相互作用、測試新的候選藥物，或只是觀察大腦的發育過程。

這項研究發表在《細胞幹細胞》雜誌。