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脂質(zhì)雙分子層支撐的3D打印人類大腦皮質(zhì)細(xì)胞揭示了發(fā)育相互作用

供稿人:王森、王玲 供稿單位:機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室  發(fā)布日期:2020-12-18

由于體外和動物模型欠佳,因此目前對人腦發(fā)育的理解仍處于初級階段。特別是尚不清楚初始細(xì)胞位置分布如何影響之后的人類皮質(zhì)發(fā)育,因為體外控制皮質(zhì)細(xì)胞的空間分布技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。生物3D打印提供了定制化結(jié)構(gòu)的快速制造方法。但大腦是最柔軟的組織之一,而目前的生物打印較硬的材料,形成機(jī)械支撐支架,或直接打印含細(xì)胞的基于多糖聚合物的比大腦硬的組織,無法很好的復(fù)現(xiàn)胞外基質(zhì)(ECM)的復(fù)雜特性。

近期,牛津大學(xué)化學(xué)系的Hagan Bayley團(tuán)隊開發(fā)了一種基于脂雙層支撐的3D打印技術(shù),成功實(shí)現(xiàn)了載細(xì)胞的柔軟且生物相容性好的ECM材料—基質(zhì)膠(Matrigel)的打印,打印的神經(jīng)細(xì)胞最長可存活達(dá)100天,并對時間相關(guān)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育事件提供了深入的洞察和分析。所謂脂雙層支撐的3D打印技術(shù)是指:將含細(xì)胞的ECM液滴在脂質(zhì)的油浴中打印,相鄰的液滴之間形成了界面雙層膜(DIB)(圖1a),它為支持打印的液滴網(wǎng)絡(luò)3D結(jié)構(gòu)和促進(jìn)設(shè)計圖案形成提供了關(guān)鍵附著力,并可通過改變噴嘴尺寸和打印脈沖的幅值和持續(xù)時間調(diào)節(jié)打印液滴的直徑(圖1b)。在后續(xù)的Matrigel的凝膠化過程中采取步進(jìn)式的升溫方案,以維持液滴之間的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。(如圖1d)

圖1 脂雙層支撐的液滴軟組織生物3D打印

研究人員打印并培養(yǎng)含人神經(jīng)干細(xì)胞的三維陣列結(jié)構(gòu),驗證了不同細(xì)胞密度的神經(jīng)組織構(gòu)建的可行性,以及它們在長時間內(nèi)的自組織和分化能力,并利用鈣離子成像驗證打印結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元功能性,結(jié)果顯示打印4天后出現(xiàn)自發(fā)鈣離子振蕩,44天后顯示出更頻繁和規(guī)則的鈣離子振蕩,網(wǎng)絡(luò)連通性更高。

進(jìn)一步的,設(shè)計了內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu),引發(fā)了一系列皮質(zhì)發(fā)育特征,包括神經(jīng)元遷移,分化,軸突生長和星形膠質(zhì)形成,并發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞對神經(jīng)束的晚期發(fā)育事件有深遠(yuǎn)影響(圖2)。

圖2 星形膠質(zhì)細(xì)胞在預(yù)先形成圖案的皮質(zhì)組織中誘導(dǎo)軸突束

最后,結(jié)合結(jié)合快速細(xì)胞編程方法在短時間內(nèi)構(gòu)建由人神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成的定制化結(jié)構(gòu)的皮質(zhì)組織,進(jìn)一步驗證了神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞之間的不可逆的化學(xué)排斥作用。

該研究開發(fā)了一種打印ECM類軟組織的全新方法,可以構(gòu)建預(yù)設(shè)計細(xì)胞類型和結(jié)構(gòu)的類腦組織,在洞察大腦發(fā)育及疾病過程建模等方面有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn):

  1. Zhou L, Wolfes A C, Li Y, et al. Lipid-Bilayer-Supported 3D Printing of Human Cerebral Cortex Cells Reveals Developmental Interactions[J]. Advanced Materials, 2020, 32(31): 2002183.
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