3D 生物打印神經(jīng)模型：藥物研發(fā)的 “救星” 還是新挑戰(zhàn)？

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在神經(jīng)組織工程領(lǐng)域，由于人類大腦組織獲取困難且現(xiàn)有實驗?zāi)Ｐ碗y以精準(zhǔn)模擬其發(fā)育與功能的復(fù)雜性，二維細胞培養(yǎng)和動物模型存在諸多局限，三維（3D）生物打印技術(shù)應(yīng)運而生。它能夠構(gòu)建復(fù)雜的組織架構(gòu)，高度模擬人類大腦組織的結(jié)構(gòu)與功能，為研究神經(jīng)系統(tǒng)疾病和開發(fā)新療法帶來希望。然而，目前3D生物打印的神經(jīng)模型在應(yīng)用于藥物篩選時面臨諸多挑戰(zhàn)，如缺乏對模型功能（包括化學(xué)、代謝等途徑）和機械相關(guān)性分析的標(biāo)準(zhǔn)化表征方法。  

來自加拿大維多利亞大學(xué)的Stephanie M. Willerth教授團隊，綜述了近十年來3D生物打印神經(jīng)模型的研究進展，重點探討了其在藥物發(fā)現(xiàn)方面的應(yīng)用。團隊詳細討論了各類神經(jīng)組織模型、生物墨水和添加劑、所用細胞類型、打印結(jié)構(gòu)形狀及培養(yǎng)時間，以及相關(guān)的表征方法。在此基礎(chǔ)上，團隊提出為推動該技術(shù)在藥物篩選中的有效應(yīng)用，必須解決當(dāng)前表征方法缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的問題，未來應(yīng)注重在多個層面評估模型與體內(nèi)環(huán)境的相關(guān)性，以開發(fā)出更具可行性的治療方案。相關(guān)工作以“Recent advances in 3D bioprinted neural models: A systematic review on the applications to drug discovery”為題發(fā)表在《Advanced Drug Delivery Reviews》上。

主要內(nèi)容
1. 通過對PubMed、Scopus和Web of Science數(shù)據(jù)庫中相關(guān)文獻的系統(tǒng)檢索與篩選，研究了近十年3D生物打印神經(jīng)組織模型的發(fā)展情況，包括模型類型、生物墨水和添加劑、細胞類型、構(gòu)建體形狀、培養(yǎng)時間及表征方法等。結(jié)果表明，神經(jīng)組織模型的構(gòu)建使用了多種生物墨水和細胞類型，應(yīng)用廣泛，但在材料和細胞表征方面缺乏標(biāo)準(zhǔn)化。

圖1. 3D生物打印神經(jīng)組織模型中常見的細胞和機械表征技術(shù)概述。

2. 通過對46篇相關(guān)研究論文進行數(shù)據(jù)提取和分析，研究了不同3D生物打印神經(jīng)模型的具體構(gòu)建和特性。結(jié)果顯示，這些模型在模擬大腦、脊髓、腫瘤等組織時，使用的生物墨水、細胞類型和構(gòu)建體形狀各異，培養(yǎng)時間也有所不同，且在疾病建模、藥物發(fā)現(xiàn)和組織再生等方面展現(xiàn)出一定潛力。

圖2. 系統(tǒng)篩選過程。

3. 通過對不同生物墨水、細胞類型及構(gòu)建條件下的3D打印神經(jīng)模型進行多方面表征測試，研究了這些模型的材料特性（如機械性能、物理性能、可打印性）和細胞相關(guān)特性（如細胞活力、增殖、蛋白質(zhì)表達、鈣成像、代謝活性和電生理學(xué)）。結(jié)果表明，各模型的表征方法差異較大，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，影響了對模型功能和適用性的評估。

圖3. 系統(tǒng)搜索結(jié)果。

4. 通過分析不同細胞類型在3D打印構(gòu)建體中的活力和蛋白質(zhì)表達隨培養(yǎng)時間的變化情況，研究了神經(jīng)膠質(zhì)細胞、神經(jīng)細胞和腫瘤細胞在3D生物打印模型中的特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同細胞類型在不同培養(yǎng)時間下，細胞活力和蛋白質(zhì)表達呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，這有助于了解細胞在模型中的功能和行為。

圖4. 部分細胞表征評估總結(jié)（干細胞樣細胞類型）。

5. 通過分析不同細胞類型在3D打印構(gòu)建體中的活力和蛋白質(zhì)表達隨培養(yǎng)時間的變化情況，研究了成熟/有限譜系的神經(jīng)膠質(zhì)細胞、神經(jīng)細胞和腫瘤細胞（膠質(zhì)母細胞瘤、膠質(zhì)瘤、神經(jīng)母細胞瘤）在3D生物打印模型中的特性。結(jié)果表明，不同細胞類型在不同培養(yǎng)階段，細胞活力和蛋白質(zhì)表達各有差異，為研究相關(guān)疾病和藥物篩選提供了重要依據(jù)。

圖5. 部分細胞表征評估總結(jié)（成熟/有限譜系細胞類型）。

6. 通過嵌入式生物打印技術(shù)和相關(guān)檢測手段，研究了在3D打印構(gòu)建體中生成真實人類神經(jīng)元的過程及神經(jīng)元的特性。結(jié)果顯示，該技術(shù)能有效實現(xiàn)細胞的精確圖案化和長期培養(yǎng)，神經(jīng)元在構(gòu)建體中可實現(xiàn)軸突延伸、神經(jīng)突起生長，并呈現(xiàn)出特定的免疫染色特征，模擬了真實大腦組織的功能。

圖6. 在3D打印構(gòu)建體中生成真實的人類神經(jīng)元。

7. 通過總結(jié)和列舉各類細胞（如人類誘導(dǎo)多能干細胞、神經(jīng)祖細胞、星形膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元）研究中常用的細胞標(biāo)記物，研究了這些標(biāo)記物在3D生物打印神經(jīng)模型研究中的應(yīng)用。結(jié)果表明，這些標(biāo)記物可用于鑒定細胞類型、評估細胞分化階段和研究細胞功能，對深入理解神經(jīng)組織發(fā)育和疾病機制具有重要意義。

圖7. 各類細胞（包括人類誘導(dǎo)多能干細胞、神經(jīng)祖細胞、星形膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞（及其前體）和神經(jīng)元）研究中常用的細胞標(biāo)記物。

結(jié)論
本研究系統(tǒng)回顧了近十年3D生物打印神經(jīng)模型的文獻，著重分析大腦神經(jīng)組織模型及其藥物篩選應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，此類模型構(gòu)建采用了多種生物墨水和細胞類型，應(yīng)用廣泛，但在材料和細胞表征方法上缺乏標(biāo)準(zhǔn)化，這影響了對模型功能和相關(guān)性的準(zhǔn)確評估。  

為推動該領(lǐng)域發(fā)展，需提高研究方法的透明度和可重復(fù)性，標(biāo)準(zhǔn)化材料表征，強化與藥物發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化相關(guān)性研究。盡管3D生物打印技術(shù)為再生醫(yī)學(xué)和疾病治療帶來希望，但仍面臨挑戰(zhàn)，如血腦屏障建模難題。未來應(yīng)探索新方法改進模型，整合生物信息學(xué)、機器學(xué)習(xí)和人工智能等技術(shù)，提升模型的準(zhǔn)確性和功能�？傮w而言，3D生物打印神經(jīng)組織已取得一定進展，能構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)并模擬相關(guān)神經(jīng)表型，但仍需克服諸多困難，以更好地服務(wù)于神經(jīng)科學(xué)研究和藥物開發(fā)。

文章來源：https://doi.org/10.1016/j.addr.2025.115524