Zespół naukowców z Uniwersytetu Wisconsin-Madison opracował pierwszą wydrukowaną w 3D tkankę mózgową, która może rosnąć i funkcjonować jak typowa tkanka mózgowa.
To osiągnięcie o ważnych implikacjach dla naukowców badających mózg i pracujących nad metodami leczenia szerokiego zakresu zaburzeń neurologicznych i neurorozwojowych, takich jak choroba Alzheimera i Parkinsona.
„To może być niezwykle potężny model, który pomoże nam zrozumieć, w jaki sposób komórki mózgowe i części mózgu komunikują się u ludzi” – mówi Su-Chun Zhang, profesor neurologii i neurologii w Waisman Center na UW-Madison. „Może zmienić sposób, w jaki patrzymy na biologię komórek macierzystych, neuronaukę i patogenezę wielu zaburzeń neurologicznych i psychiatrycznych”.
Według Zhanga i Yuanwei Yan, naukowców z laboratorium Zhanga, metody drukowania ograniczyły powodzenie poprzednich prób drukowania tkanki mózgowej. Grupa odpowiedzialna za nowy proces druku 3D opisała dziś swoją metodę w czasopiśmie Cell Stem Cell.
Zamiast tradycyjnego podejścia do druku 3D, polegającego na układaniu warstw w pionie, badacze poszli poziomo. Umieścili komórki mózgowe, neurony wyhodowane z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych, w bardziej miękkim żelu „bio-atramentu” niż w przypadku poprzednich prób.
„Tkanka nadal ma wystarczającą strukturę, aby utrzymać się razem, ale jest wystarczająco miękka, aby neurony mogły się zrosnąć i zacząć ze sobą rozmawiać” – mówi Zhang.
Komórki układa się obok siebie jak ołówki na blacie stołu.
„Nasza tkanka pozostaje stosunkowo cienka, co ułatwia neuronom uzyskanie wystarczającej ilości tlenu i składników odżywczych z pożywki wzrostowej” – mówi Yan.
Wyniki mówią same za siebie – co oznacza, że komórki mogą ze sobą rozmawiać. Wydrukowane komórki docierają przez medium, tworząc połączenia wewnątrz każdej drukowanej warstwy, a także pomiędzy warstwami, tworząc sieci porównywalne do ludzkich mózgów. Neurony komunikują się, wysyłają sygnały, oddziałują ze sobą za pośrednictwem neuroprzekaźników, a nawet tworzą odpowiednie sieci z komórkami podporowymi dodanymi do drukowanej tkanki.
„Wydrukowaliśmy korę mózgową i prążkowie i to, co znaleźliśmy, było dość uderzające” – mówi Zhang. „Nawet gdy wydrukowaliśmy różne komórki należące do różnych części mózgu, nadal były one w stanie rozmawiać ze sobą w bardzo szczególny i specyficzny sposób”.
Technika drukowania zapewnia precyzję – kontrolę nad typem i rozmieszczeniem komórek – której nie można znaleźć w organoidach mózgowych, miniaturowych narządach używanych do badania mózgu. Organoidy rosną przy mniejszej organizacji i kontroli.
„Nasze laboratorium wyróżnia się tym, że jesteśmy w stanie wyprodukować praktycznie każdy typ neuronów w dowolnym momencie. Następnie możemy je złożyć w całość w niemal dowolnym momencie i w dowolny sposób” – mówi Zhang. „Ponieważ możemy wydrukować tkankę zgodnie z projektem, możemy mieć zdefiniowany system sprawdzający, jak działa sieć naszego ludzkiego mózgu. Możemy bardzo szczegółowo przyjrzeć się, jak komórki nerwowe rozmawiają ze sobą w określonych warunkach, ponieważ możemy wydrukować dokładnie to, co chcemy chcieć.”
Ta specyfika zapewnia elastyczność. Wydrukowaną tkankę mózgową można wykorzystać do badania sygnalizacji między komórkami w zespole Downa, interakcji między zdrową tkanką a sąsiadującą tkanką dotkniętą chorobą Alzheimera, testowania nowych kandydatów na leki, a nawet obserwowania wzrostu mózgu.
„W przeszłości często patrzyliśmy na jedną rzecz na raz, co oznaczało, że często pomijaliśmy niektóre krytyczne elementy. Nasz mózg działa w sieci. Chcemy w ten sposób drukować tkankę mózgową, ponieważ komórki nie działają same. Rozmawiają z Tak działa nasz mózg i trzeba go wszystkie razem badać, aby go naprawdę zrozumieć” – mówi Zhang. „Naszą tkankę mózgową można wykorzystać do badania niemal każdego głównego aspektu tego, nad czym pracuje wiele osób w Waisman Center. Można ją wykorzystać do przyjrzenia się mechanizmom molekularnym leżącym u podstaw rozwoju mózgu, rozwoju człowieka, niepełnosprawności rozwojowej, zaburzeń neurodegeneracyjnych i nie tylko .”
Nowa technika druku powinna być dostępna także dla wielu laboratoriów. Nie wymaga specjalnego sprzętu do biodruku ani metod hodowli, aby utrzymać zdrową tkankę i można go dogłębnie badać za pomocą mikroskopów, standardowych technik obrazowania i elektrod już powszechnych w tej dziedzinie.
Naukowcy chcieliby jednak zbadać potencjał specjalizacji, udoskonalając swój biotusz i udoskonalając sprzęt, aby umożliwić określoną orientację komórek w drukowanej tkance.
„W tej chwili nasza drukarka jest komercyjną drukarką stołową” – mówi Yan. „Możemy wprowadzić pewne specjalistyczne ulepszenia, które pomogą nam drukować określone typy tkanki mózgowej na żądanie”.
Badanie to było częściowo wspierane przez NIH-NINDS (NS096282, NS076352, NS086604), NICHD (HD106197, HD090256), Krajową Radę ds. Badań Medycznych Singapuru (MOH-000212, MOH-000207), Ministerstwo Edukacji Singapuru (MOE2018- T2-2-103), Wyrównanie nauki w chorobie Parkinsona (ASAP-000301), Fundacja Rodziny Bleserów i Fundacja Busta.