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這一成就對研究大腦的科學家以及致力于治療廣泛的神經和神經發育障礙(如阿爾茨海默氏癥和帕金森病)的科學家具有重要意義。



張素春教授:首次3D打印出功能性人腦組織 

麥迪遜-威斯康星大學麥迪遜分校的科學家團隊已經開發出第一個3d打印的腦組織,可以像典型的腦組織一樣生長和功能。
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麥迪遜-威斯康星大學麥迪遜分校的科學家團隊已經開發出第一個3d打印的腦組織,可以像典型的腦組織一樣生長和功能。

這一成就對研究大腦的科學家以及致力于治療廣泛的神經和神經發育障礙(如阿爾茨海默氏癥和帕金森病)的科學家具有重要意義。

威斯康星大學麥迪遜分校魏斯曼中心的神經科學和神經學教授張素春(Su-Chun Zhang)說:“這將是一個非常強大的模型,可以幫助我們了解人類腦細胞和大腦部分是如何交流的。這可能會改變我們對干細胞生物學、神經科學以及許多神經和精神疾病發病機制的看法。”

Zhang實驗室的Yuanwei Yan指出,之前的打印方法限制了打印腦組織的成功。為此他們開發這種新型3D打印技術,相關內容發布在今天的《細胞干細胞》雜志上。

研究人員沒有使用傳統的3D打印方法垂直堆疊,而是水平堆疊。他們將從誘導多能干細胞中培養出來的腦細胞置于一種比之前嘗試使用的更柔軟的“生物墨水”凝膠中。

Zhang說:“這些組織仍然有足夠的結構來連接在一起,但它足夠柔軟,可以讓神經元彼此生長,并開始相互交流?!?

這些細胞挨個排列,就像桌面上的鉛筆挨個排列一樣。

“我們的組織保持相對較薄,這使得神經元更容易從生長介質中獲得足夠的氧氣和足夠的營養,”Yan說。

結果不言自明——也就是說,細胞之間可以相互交流。打印的細胞通過介質在每個打印層內部和層之間形成連接,形成與人類大腦相當的網絡。神經元通過神經遞質進行交流、發送信號、相互作用,甚至與添加到打印組織中的支持細胞形成適當的網絡。

“我們打印了大腦皮層和紋狀體,我們的發現非常驚人,即使我們打印了屬于大腦不同部位的不同細胞,它們仍然能夠以一種非常特殊和特定的方式相互交流?!?

這種打印技術可以精確地控制細胞的類型和排列,這在大腦類器官(用于研究大腦的微型器官)中是沒有的。類器官的生長缺乏組織和控制。

“我們的實驗室非常特別,因為我們能夠在任何時間產生幾乎任何類型的神經元。然后我們幾乎可以在任何時候以我們喜歡的任何方式將它們拼接起來。因為我們可以按照設計打印組織,我們可以有一個明確的系統來觀察我們的人類大腦網絡是如何運作的。我們可以非常具體地觀察神經細胞在特定條件下是如何相互交流的,因為我們可以打印出我們想要的東西?!?

這種特殊性提供了靈活性。打印的腦組織可用于研究唐氏綜合癥患者細胞間的信號傳導,受阿爾茨海默氏癥影響的健康組織和鄰近組織之間的相互作用,測試新的候選藥物,甚至觀察大腦的生長。

“過去,我們經常一次只看一件事,這意味著我們經常錯過一些關鍵的組成部分。我們的大腦在網絡中運作。我們想用這種方式打印腦組織,因為細胞不能自己運作。他們互相交談。這就是我們大腦的工作方式,必須像這樣一起研究才能真正理解它,我們的腦組織可以用來研究韋斯曼中心許多人正在研究的幾乎每一個主要方面。它可以用來研究大腦發育、人類發育、發育障礙、神經退行性疾病等潛在的分子機制?!?

這種新的印刷技術也應該為許多實驗室所采用。它不需要特殊的生物打印設備或培養方法來保持組織健康,并且可以使用顯微鏡,標準成像技術和該領域已經常見的電極進行深入研究。

然而,研究人員想要探索專業化的潛力,進一步改進他們的生物墨水和改進他們的設備,以便在他們的打印組織中實現細胞的特定方向。

“現在,我們的打印機是臺式商業化的,”Yan說。“我們可以做一些專門的改進,以幫助我們按需打印特定類型的腦組織。”


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人物簡介:

張素春教授

張素春教授于1989年在原上海醫科大學獲得碩士學位,并留校工作,1992年赴美國留學,1996年獲得加拿大薩斯卡其溫大學生物學博士學位。后受聘于美國威斯康星大學,主要從事神經干細胞生物學和腦移植研究,在國際上首次利用人胚干細胞誘導出神經干細胞與運動神經元。

2002 年獲美國邁迪遜市(Madison)最佳科學家獎。2005 年為美國國會關于干細胞研究聽證會證人。2006 年主編Human Embryonic Stem Cells。2007 年Panelist, NIH Blueprint on Neuroscience Research Workshop. 2008 年Consultant to F.D.A. on Biologics Evaluation and Research、 Royan International Award for Stem Cell Research。

研究方向:胚胎干細胞。


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