3D生物打印基質(zhì)中神經(jīng)網(wǎng)絡的多尺度構建與功能研究

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在神經(jīng)科學研究中，高效建立能準確模擬神經(jīng)網(wǎng)絡結構和功能連接的體外模型至關重要，3D生物打印技術雖潛力巨大，但成熟神經(jīng)元脆弱易受操作影響，且此前3D生物打印原代神經(jīng)細胞存在存活率低、分析不全面等問題，構建具有多尺度神經(jīng)網(wǎng)絡組織的功能性原代神經(jīng)組織是主要挑戰(zhàn)。來自北京協(xié)和醫(yī)院馬文斌、毛一雷教授團隊，利用擠出式3D生物打印技術，優(yōu)化打印參數(shù)和模型設計，采用明膠甲基丙烯酰（GelMA）構建了包含E18大鼠皮層神經(jīng)元的3D neuMatrix，該模型具有良好神經(jīng)元存活率，能形成具有局部和長距離功能軸突連接的3D腦樣神經(jīng)網(wǎng)絡，還可用于缺血性中風等疾病建模。相關工作以“Multiscale Organization of Neural Networks in a 3D Bioprinted Matrix”為題發(fā)表在《Advanced Science》上。

研究內(nèi)容
通過擠出式3D生物打印技術，將胚胎18天的大鼠皮層神經(jīng)元與GelMA（一種凝膠材料）混合后逐層打印，構建了3D neuMatrix。結果表明3D neuMatrix中的神經(jīng)細胞存活率高，并且隨著培養(yǎng)時間的推移，逐漸形成了類似大腦的3D神經(jīng)網(wǎng)絡結構，還能用于疾病建模、藥物篩選等。

圖 1. 3D neuMatrix的構建示意圖

利用免疫熒光染色和3D重建技術，研究了3D neuMatrix中神經(jīng)細胞的類型和連接情況。結果顯示3D neuMatrix中主要是成熟的神經(jīng)元，還有少量星形膠質(zhì)細胞，這些神經(jīng)細胞形成了局部和長距離的纖維連接，構成了復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡。

圖 2. 3D neuMatrix內(nèi)的神經(jīng)網(wǎng)絡結構

采用鈣信號成像技術，觀察3D neuMatrix中神經(jīng)細胞的功能活動及對藥物的反應。結果表明3D neuMatrix中的神經(jīng)細胞存在自發(fā)的鈣振蕩，并且不同神經(jīng)集群之間有同步的信號傳遞，使用不同的神經(jīng)遞質(zhì)受體拮抗劑能調(diào)節(jié)神經(jīng)細胞的放電頻率和同步性。

圖3. 3D neuMatrix的功能連接和藥物反應

通過RNA測序技術，比較了3D neuMatrix、2D培養(yǎng)神經(jīng)元和E18大鼠皮層的基因表達譜。結果顯示3D neuMatrix的轉錄組更接近E18大鼠皮層，在細胞間相互作用、細胞外基質(zhì)組織等通路的表達上與體內(nèi)組織更為相似，說明其在分子水平上具有較高的生物 fidelity。

圖 4. 3D neuMatrix的轉錄組分析

運用單細胞核RNA測序技術，分析了3D neuMatrix在培養(yǎng)第1天和第7天的細胞組成和分化情況。結果表明3D neuMatrix重現(xiàn)了大腦皮層的多種細胞類型，包括興奮性神經(jīng)元、抑制性神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞等，并且隨著培養(yǎng)時間的延長，細胞逐漸分化成熟，神經(jīng)功能相關的基因表達增加。

圖 5. 3D neuMatrix的單細胞測序結果

通過氧葡萄糖剝奪/復氧（OGD/R）處理，在3D neuMatrix和2D培養(yǎng)神經(jīng)元中建立缺血性中風模型，并與大鼠大腦中動脈 occlusion/reperfusion（MCAO/R）模型的轉錄組進行比較。結果顯示3D neuMatrix在OGD/R處理后，細胞活力下降，神經(jīng)功能受損，其轉錄組特征更接近大鼠MCAO/R模型，能更好地模擬缺血性中風的病理生理過程。

圖 6. 3D neuMatrix用于缺血性中風建模

研究結論
本研究成功構建了名為3D neuMatrix的體外神經(jīng)組織，借助3D生物打印技術實現(xiàn)了對細胞組件和神經(jīng)回路的精準調(diào)控以及空間組織的可調(diào)節(jié)性。單細胞分析顯示，在體外培養(yǎng)過程中，神經(jīng)元亞型和神經(jīng)膠質(zhì)細胞得以分化，神經(jīng)通訊相關基因的表達水平有所提升。通過疾病建模進一步證實，3D neuMatrix在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機制研究和治療性研究方面具有構建更貼近生理真實模型的潛力。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/advs.202504455