3D生物打印技術為神經科學研究提供“利器”

　　在神經科學研究領域，如何構建能夠精準模擬大腦結構與功能的體外模型，一直以來是科學家們探索的重要課題。

　　近日，北京協和醫院肝臟外科主任醫師毛一雷、神經外科主任醫師馬文斌聯合中國醫學科學院基礎醫學研究所副研究員楊楠團隊在Advanced Science期刊上發表突破性成果。研究團隊利用3D生物打印技術構建出名為3D neuMatrix的“微型大腦”，為神經發育、疾病建模、藥物篩選等領域研究提供了高保真的“試驗田”。

　　研究人員表示，傳統的2D培養系統、神經球/類器官及器官芯片等模型不僅難以還原真實腦組織的多尺度特征，同時也難以兼顧空間結構、細胞異質性、神經電活動和轉錄特征等方面的研究需求。

　　隨著對中樞神經系統研究的不斷深入，如何構建高保真模擬皮層神經網絡的體外模型，日益成為亟待攻克的技術壁壘。

　　為此，研究團隊以明膠甲基丙烯酰為材料基底，將胚胎發育第18天的大鼠皮層神經元以每毫升1500萬個細胞的密度融合其中，通過擠出式3D生物打印機，層層堆疊形成了7×7×1.5毫米的六層剛性長方體結構。這種結構內部包含直徑約500微米的連通通道，就像城市中的交通網絡，能夠有效促進氧氣和營養物質的交換。

　　隨后，研究者觀察到，用這種方法打印出來的3D neuMatrix能夠形成以成熟神經元為主體的細胞團簇，從而維持神經功能。神經團簇之間還有極為豐富的軸突連接，不同神經團簇之間可以協同性放電，即便是空間距離達2毫米的神經元集群之間也能實現同步放電。隨著培養時間的延長，3D neuMatrix細胞團簇中鈣信號的發放頻率、發放團簇占比以及全局的鈣信號相關性均逐漸上升，證明了3D neuMatrix已形成獨特的大規模功能神經網絡。研究者通過添加多種神經遞質受體拮抗劑并觀察放電模式的變化，明確了該模型在功能學上具備藥理反應能力。

　　單核RNA測序揭示，3D neuMatrix成功重現了大腦皮層的多種細胞類型，包括興奮性神經元、抑制性神經元、神經祖細胞、星形膠質細胞等。隨著培養時間的推移，3D neuMatrix內的細胞類型組成會按照體內發育趨勢不斷演變。相較于體外培養的第1天，在第7天時，神經祖細胞減少，星形膠質細胞和少突膠質細胞增多，神經元逐漸成熟，神經突起和神經遞質分泌相關基因的表達水平不斷提升。

　　3D neuMatrix在疾病建模方面的潛力尤其突出。研究團隊以缺血性卒中為例，通過氧糖剝奪/復氧處理來模擬中風過程。結果顯示，經過4小時氧氣、葡萄糖剝奪處理后，3D neuMatrix表現出的變化趨勢與腦卒中大鼠模型的數據高度吻合。這意味著3D neuMatrix有望成為研究中樞神經系統疾病發病機制和治療方法的理想模型。

　　北京協和醫院肝臟外科研究員楊華瑜表示，3D neuMatrix仍存在需要改進的地方，如目前仍無法完全模擬大腦的細胞外基質，細胞簇中心可能出現缺氧等。但隨著生物材料學與生物制造技術的演進，3D生物打印構建的“微型大腦”有望在幫助人類理解大腦、治療神經系統疾病、探索體外智能等多個維度實現跨越式發展。