Prvé 3D tlačené funkčné ľudské mozgové tkanivo rastie ako skutočné

Vytvorenie orgánu, ktorý sa čo najviac podobá skutočnému, je nevyhnutné pre výskum skúmajúci patológiu chorôb a testovanie nových liekov. Mozog predstavuje osobitnú výzvu, vrátane skutočnosti, že neuróny kultivované v laboratóriu musia vytvárať funkčné spojenia a mozgové tkanivo musí podporovať zložitú, ale jemnú architektúru.

Teraz výskumníci z Univerzity Wisconsin-Madison úspešne 3D vytlačili mozgové tkanivo, ktoré rastie a funguje ako skutočný mozog.

„Mohol by to byť nesmierne účinný model, ktorý nám pomôže pochopiť, ako mozgové bunky a časti mozgu komunikujú u ľudí,“ povedal Su-Chun Zhang, zodpovedajúci autor štúdie. „Mohlo by to zmeniť náš pohľad na biológiu kmeňových buniek, neurobiológiu a patogenézu mnohých neurologických a psychiatrických porúch.“

Cieľom výskumníkov bolo skonštruovať vrstvené nervové tkanivo, v ktorom neurónové progenitorové bunky dozrievajú a vytvárajú spojenia (synapsie) v rámci vrstiev a medzi nimi, pričom si zachovávajú štruktúru. Ako „bio-atrament“, teda biologický materiál použitý na 3D tlač tkaniva, si vedci vybrali fibrínový hydrogél pozostávajúci predovšetkým z fibrinogénu a trombínu, pretože je biokompatibilný s nervovými bunkami. Fibrinogén aj trombín zohrávajú úlohu pri zrážaní krvi.

Vysoká viskozita fibrínového gélu sťažovala jeho 3D tlač, preto ho vedci zmiešali s hydrogélom kyseliny hyalurónovej, pričom si všimli, že vysoký počet neurónových progenitorových buniek umiestnených do tejto zmesi prežil a dozrel. Pridaním ďalšieho hydrogénu sa ich bio-atrament stal mäkším ako tie, ktoré sa používali predtým.

Namiesto použitia tradičného prístupu 3D tlače vertikálne uložených vrstiev, ktorý si vyžaduje tuhý bio-atrament vytlačený v hrubých vrstvách, výskumníci vytvorili vzorované tkanivo tak, že vytlačili jednu tenkú vrstvu alebo pás gélu s bunkovou náplňou vedľa druhej horizontálne. Aby sa zabránilo zmiešaniu vytlačených pásov, hneď po nanesení zmesi sa ako zosieťovacie činidlo použil trombín.

Hoci 3D vytlačené bunky zostali vo svojich určených vrstvách, neuróny vytvorili funkčné synaptické spojenia vo vrstvách a medzi nimi v priebehu dvoch až piatich týždňov po vytlačení.

„Tkanivo má stále dostatočnú štruktúru na to, aby držalo pohromade, ale je dostatočne mäkké na to, aby umožnilo neurónom vzájomne sa zrásť a začať spolu komunikovať,“ povedal Zhang. „Naše tkanivo zostáva relatívne tenké, a to uľahčuje neurónom získať dostatok kyslíka a dostatok živín z rastového média.“

Výskumníci vyskúšali 3D tlač mozgového tkaniva s použitím rôznych kombinácií buniek v biologickom atramente.

„Vytlačili sme mozgovú kôru a striatum a to, čo sme zistili, bolo dosť zarážajúce,“ povedal Zhang. „Aj keď sme vytlačili rôzne bunky patriace do rôznych častí mozgu, stále boli schopné navzájom komunikovať veľmi zvláštnym a špecifickým spôsobom.“

Vedci tvrdia, že ich prístup ponúka presnosť typov a usporiadania buniek, ktorú organoidy a iné metódy 3D tlače nemajú. A technika ich 3D tlače si nevyžaduje špeciálne vybavenie ani kultivačné metódy na udržanie zdravého tkaniva. To znamená, že by mala byť dostupná pre mnohé laboratóriá.

„Naše laboratórium je veľmi výnimočné v tom, že sme schopní kedykoľvek vyrobiť takmer akýkoľvek typ neurónov,“ povedal Zhang. „Potom ich môžeme takmer kedykoľvek a akýmkoľvek spôsobom spojiť dohromady. Keďže môžeme tlačiť tkanivo podľa návrhu, môžeme mať definovaný systém, aby sme sa pozreli na to, ako funguje naša ľudská mozgová sieť. Môžeme sa veľmi konkrétne pozrieť na to, ako spolu nervové bunky komunikujú za určitých podmienok, pretože môžeme vytlačiť presne to, čo chceme.“

Existujú plány na zdokonalenie biologického atramentu a zariadenia, ktoré by umožnili špecifickú orientáciu buniek v rámci ich vytlačeného tkaniva.

„Momentálne je naša 3D tlačiareň stolová komerčná,“ povedal hlavný autor štúdie Yuanwei Yan. „Môžeme urobiť niekoľko špecializovaných vylepšení, ktoré nám pomôžu vytlačiť špecifické typy mozgového tkaniva na požiadanie.“

Vedci tvrdia, že ich vytlačené mozgové tkanivo by sa mohlo použiť na štúdium bunkovej signalizácie pri Downovom syndróme, interakcií medzi zdravým tkanivom a tkanivom postihnutým Alzheimerovou chorobou, na testovanie nových kandidátov na lieky alebo jednoducho na sledovanie vývoja mozgu.

„V minulosti sme sa často pozerali na jednu vec naraz, čo znamená, že nám často unikli niektoré kritické komponenty,“ povedal Zhang. „Náš mozog funguje v sieťach. Takto chceme vytlačiť mozgové tkanivo, pretože bunky nefungujú samy o sebe. Rozprávajú sa medzi sebou. Takto funguje náš mozog a treba ho takto skúmať celý, aby sme ho skutočne pochopili.“

Štúdia bola nedávno uverejnená v magazíne Cell Stem Cell.