供稿人：白路歌、王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-10-31
了解人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作機(jī)制，對(duì)于探索大腦的健康和疾病至關(guān)重要。然而，由于動(dòng)物和人類在神經(jīng)元組成、突觸整合和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方面的差異，動(dòng)物模型不能精確地概括人類大腦的高階信息處理功能，因此需要一種可用于功能網(wǎng)絡(luò)評(píng)估的可靠的活體人類神經(jīng)組織模型。為了解決此問題，來自威斯康辛大學(xué)的張素春團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了基于纖維蛋白原水凝膠的生物墨水體系，使用商業(yè)生物打印機(jī)將不同類型的人類神經(jīng)細(xì)胞以所需的尺寸進(jìn)行組裝，形成具有特異性的功能性神經(jīng)回路。
首先，研究者通過人神經(jīng)祖細(xì)胞（hNPCs）的存活率確定了生物墨水的濃度和交聯(lián)條件（圖1A-1C），最終選擇2.5 mg/mL纖維蛋白原和0.5 U凝血酶進(jìn)行水凝膠構(gòu)建，交聯(lián)時(shí)間為145±10 s。在此條件下hNPCs的7天存活率維持在80%以上。在打印后第4天，hNPCs分化為所需的TUJ1+神經(jīng)元（圖1D），逐漸表達(dá)成熟的神經(jīng)元標(biāo)記物MAP2和NeuN并呈現(xiàn)出椎體形態(tài)（圖1E, 1F)，第35天在神經(jīng)突上觀察到突觸點(diǎn)（圖1H, 1I），第40天出現(xiàn)樹突棘標(biāo)志物（圖1G），這些證明纖維蛋白凝膠支持人神經(jīng)祖細(xì)胞向皮層神經(jīng)元的成熟和突觸發(fā)生。
圖1 生物墨水濃度及交聯(lián)條件對(duì)人神經(jīng)祖細(xì)胞的影響
因?yàn)槔w維蛋白凝膠具有高粘度而無法打印，因此研究者將纖維蛋白凝膠與透明質(zhì)酸混合得到可打印生物墨水，使用表達(dá)mCherry的紋狀體神經(jīng)元（紅色）和表達(dá)GFP的皮層神經(jīng)元（綠色），打印了層寬為50mm的水平分層結(jié)構(gòu)（圖2A）。打印后的15天內(nèi)，皮質(zhì)和紋狀體神經(jīng)元帶保持著良好的組織分離，但其神經(jīng)突相向生長形成物理接觸（圖2B）。有趣的是，研究者發(fā)現(xiàn)層間特異性地形成了從皮質(zhì)神經(jīng)元到紋狀體神經(jīng)元的軸突投射模式（圖2C），這與在體情況十分相似。研究者進(jìn)一步打印了表達(dá)黃色熒光蛋白的皮質(zhì)神經(jīng)元與表達(dá)紅鈣指示物的紋狀體神經(jīng)元（圖2D, 2E），鈣信號(hào)檢測結(jié)果（圖2F-2H）和電生理記錄（圖2I-2N）都表明刺激皮質(zhì)神經(jīng)元會(huì)引起紋狀體神經(jīng)元的反應(yīng)，證明了打印組織中形成的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的驚人特異性。
持人神經(jīng)祖細(xì)胞向皮層神經(jīng)元的成熟和突觸發(fā)生。
圖2 皮層-紋狀體神經(jīng)組織的打印及形態(tài)、功能評(píng)價(jià)
此外，研究者采用此打印平臺(tái)，使用了皮質(zhì)谷氨酸能神經(jīng)元等其他神經(jīng)元亞型以及星形膠質(zhì)細(xì)胞，構(gòu)建了多種不同的功能性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)乃至阿爾茲海默癥模型，大大擴(kuò)展了此打印平臺(tái)的應(yīng)用范圍。
綜上所述，這項(xiàng)研究開發(fā)了一種適合于分化神經(jīng)元的生存、神經(jīng)突生長和突觸形成的生物墨水，并通過水平打印條帶設(shè)計(jì)了一種特殊的組織圖案，易于活細(xì)胞成像和電生理記錄。打印的神經(jīng)組織在2-5周內(nèi)形成了功能性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為在生理和病理?xiàng)l件下檢測人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)明確的平臺(tái)，具有良好的應(yīng)用前景。