塔夫茨大学的生物工程师们创造了具有功能的3D类脑组织

生物工程师创造出了具有功能的3D类脑组织

神经元在支架孔(暗区)形成了功能网络。图片由塔夫茨大学提供。

塔夫茨大学(Tufts University)组织工程资源中心(Tissue Engineering Resource Center)的生物工程师已经创造出三维类脑组织,其功能和结构特征与大鼠脑中的组织相似。

生物工程师已经创造出了三维类脑组织,它的功能和结构特征与老鼠大脑中的组织相似,可以在实验室里存活两个多月。

作为对其潜力的首次展示,研究人员利用这种类脑组织,研究了创伤性脑损伤后立即发生的化学和电变化,以及在另一项单独的实验中,对药物反应所发生的变化。该组织可以为研究正常的脑功能、损伤和疾病提供优越的模型,并可以帮助开发脑功能障碍的新疗法。

这个类脑组织由波士顿塔夫茨大学的组织工程资源中心开发,该中心由美国国家生物医学成像和生物工程研究所(NIBIB)资助,以建立创新的生物材料和组织工程模型。大卫·卡普兰博士是塔夫茨大学斯特恩家族工程学教授,他是该中心的主任,并领导了开发该组织的研究工作。

目前,科学家们在培养皿中培养神经元,以研究它们在可控环境中的行为。然而,在二维空间中生长的神经元无法复制复杂的脑组织结构组织,脑组织由分隔的灰质和白质区域组成。在大脑中,灰质主要由神经元细胞体组成,而白质则由成束的轴突组成,轴突是神经元发出的投射物,用来连接彼此。因为脑损伤和疾病对这些区域的影响通常不同,所以需要展示灰质和白质分区的模型。

最近,组织工程师试图在3D凝胶环境中培养神经元,在这种环境中,神经元可以自由地在各个方向建立连接。然而,这些以凝胶为基础的组织模型寿命不长,也不能产生健壮的、组织水平的功能。这是因为细胞外环境是一个复杂的基质,在这个基质中,局部信号建立不同的邻域,促进不同的细胞生长和/或发育和功能。仅仅为神经元提供三维生长的空间是不够的。

现在,在8月11日的《美国国家科学院院刊》网络版上,一组生物工程师报告说,他们已经成功地创造出了具有功能的3D类脑组织,该组织具有灰白色物质的划分功能,并且可以在实验室中存活两个多月。

“这项工作是一个非凡的壮举,”NIBIB组织工程项目主任Rosemarie Hunziker博士说。“它结合了对大脑生理学的深刻理解和大量不断增长的生物工程工具,创造了一个既必要又足够的环境来模拟大脑功能。”

研究人员创造了具有功能的3D类脑组织

环状支架图显示灰白色物质区隔。大鼠神经元附着在支架上(甜甜圈环),同时轴突(绿色荧光标记)穿过充满胶原凝胶的中心。

产生类脑组织的关键是创造一种新的复合结构,该结构由两种物理性质不同的生物材料组成:一种由丝蛋白制成的海绵状支架,一种更柔软的胶原蛋白凝胶。支架充当了一种结构,神经元可以将自己固定在上面,而凝胶则鼓励轴突通过支架生长。

为了实现灰白色物质的分区化,研究人员将海绵状支架切成甜甜圈形状,并将大鼠的神经元植入其中。然后,他们在甜甜圈中间填充胶原蛋白凝胶,随后渗透到支架中。在短短几天内,神经元就在支架孔周围形成了功能网络,并通过中心凝胶发出较长的轴突,与甜甜圈对面的神经元相连。结果,甜甜圈中心形成了一个独特的白质区(主要包含细胞突起,轴突),与周围的灰质(细胞体集中的地方)分离。

在几周的时间里,研究人员进行了实验,以确定在3D类脑组织中生长的神经元的健康和功能,并将它们与在仅使用胶原凝胶的环境中生长的神经元或在2D培养液中生长的神经元进行比较。研究人员发现,3D类脑组织中的神经元与神经元生长和功能相关的基因表达更高。此外,在3D类脑组织中生长的神经元在长达5周的时间里保持稳定的代谢活动,而在只使用凝胶的环境中生长的神经元在24小时内就开始恶化。在功能方面,3D脑样组织中的神经元表现出电活动和反应,模拟完整大脑中的信号,包括对神经毒素的典型电生理反应模式。

由于3D类脑组织显示出类似啮齿动物脑组织的物理特性,研究人员试图确定他们是否可以用它来研究创伤性脑损伤。为了模拟创伤性脑损伤,将重物从不同高度落在脑样组织上。研究人员随后记录了神经元的电和化学活动的变化,这被证明与通常在创伤性脑损伤的动物研究中观察到的情况类似。

卡普兰说,在组织模型中研究创伤性损伤的能力比在动物实验中有优势,在动物实验中,在大脑被解剖和为实验做准备时,测量被推迟了。卡普兰说:“有了我们现有的系统,你基本上可以实时跟踪组织对创伤性脑损伤的反应。”“最重要的是,你还可以开始跟踪修复情况,以及在较长时间内会发生什么。”

卡普兰强调了类脑组织的长寿对于研究其他脑部疾病的重要性。他说:“事实上,我们可以在实验室中保存这种组织数月,这意味着我们可以开始以其他方式来研究神经系统疾病,因为你需要很长时间来研究一些关键的大脑疾病。”

功能性3D脑样组织

扫描电子显微镜拍摄的丝质支架图像显示了其多孔、海绵状的组成。图片由塔夫茨大学提供。

亨齐克补充说:“好的模型提供了可以被彻底测试的可靠假设。我们希望这个模型的使用能够加速脑功能障碍的治疗,并提供一个更好的方法来研究正常的脑生理学。”

卡普兰和他的团队正在研究如何使他们的组织模型更像大脑。在最近的报告中,研究人员证明他们可以修改他们的甜甜圈支架,使其由六个同心环组成,每个同心环可以填充不同类型的神经元。这样的安排将模拟人类大脑皮层的六层,在这六层中存在不同类型的神经元。

作为组织工程资源中心资助协议的一部分,NIBIB要求该中心产生的新技术必须与更大的生物医学研究团体共享。

卡普兰说:“我们期待与其他想要建立这种组织模型的实验室进行合作。”

这项工作得到了美国国立卫生研究院生物医学成像和生物工程研究所的支持,并获得了编号为EB002520的奖励

出版Min D. Tang-Schomer等,“生物工程功能性脑样皮质组织”,PNAS, 2014;doi: 10.1073 / pnas.1324214111

图片:塔夫斯大学

3评论关于“塔夫茨大学的生物工程师创造功能性3D类脑组织”

  1. 这个组织模型的实际用途是什么?它会被专门用于辅助模拟测试,还是有可能用于人造组织替换?

  2. 希望这能带来治疗老年痴呆症的方法。

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