Выпуская клетки из 3D-принтера, исследователи создали ткань, которая выглядит и действует как кусок мозга. В последние годы ученые научились загружать в 3D-принтеры клетки и другие компоненты каркаса для создания живых тканей, но создание реалистичных мозгоподобных конструкций оказалось непростой задачей. Теперь одна группа показала, что, изменив методы печати, она может печатать и комбинировать несколько подтипов клеток, которые лучше имитируют передачу сигналов в человеческом мозге.
Новая технология, описанная в журнале Cell Stem Cell, может предложить преимущества перед существующими методами, которые нейробиологи используют для создания трехмерных тканей мозга в лаборатории. Один из распространенных подходов предполагает использование стволовых клеток для выращивания миниатюрных мозгоподобных сгустков, называемых органоидами. Но исследователи не могут контролировать типы клеток или их точное расположение в этих конструкциях. Каждый органоид «уникален», что затрудняет воспроизведение результатов исследований, говорит нейробиолог Су-Чун Чжан из Университета Висконсин-Мэдисон, автор нового исследования.
Однако при правильном типе 3D-печати «вы можете контролировать расположение различных типов клеток», — говорит биолог развития Фрэнсис Селе из Оксфордского университета.
В предыдущих исследованиях 3D-принтеры использовались для создания тканей мозга, что позволило исследователям изучить, как клетки созревают и создают связи, и даже интегрировать напечатанную ткань в мозг мышей. Но эти конструкции имели ограниченную функциональность. А в попытках создать более функциональную печатную ткань использовались клетки крысы, а не клетки человека.
В новом исследовании команда Чжана напечатала отдельные горизонтальные линии нервных и глиальных клеток-предшественников человека, которые могут развиваться в несколько типов клеток головного мозга. Они также поэкспериментировали с составом «чернил» — гидрогеля, который действует как клей между клетками. Их новый рецепт гидрогеля обеспечивал поддержку ткани, но не был настолько жестким, чтобы препятствовать движению клеток или образованию связей, как это происходит в реальном мозге. Полученные трехмерные структуры имитировали развивающийся мозг: клетки налаживали связи с клетками своего собственного участка, а также расширяли связи с другими участками. Эта деятельность позволила исследователям наблюдать, как клетки-предшественники созревают и соединяются.
Затем команда создала различные конструкции, распечатав множество ячеек с определенным соотношением каждой из них. Одна конструкция, например, объединила тормозные и возбуждающие нейроны, которые общаются с помощью разных типов сигнальных молекул, называемых нейротрансмиттерами. Затем исследователи добавили астроциты, важный тип поддерживающих клеток. Во многих случаях нейроны вырабатывали электрические сигналы, а астроциты выполняли свою работу, поглощая глутамат нейромедиатора, что позволяет предположить, что они создают функциональные связи, аналогичные тем, которые есть в мозге. Когда исследователи объединили два типа клеток, наблюдаемых во внешней коре головного мозга и более глубоком полосатом теле, они обнаружили, что корковые клетки простираются по направлению к полосатым клеткам, а не наоборот, как это наблюдается в человеческом мозге. Это показало исследователям, что конструкции могут воспроизводить организацию мозга.
«Очень здорово, что, несмотря на простоту конструкции, у них есть надлежащая связь», — говорит Селе. И Левато говорит, что, хотя предыдущие исследования, включающие 3D-печать ткани головного мозга, выявили некоторую функциональность, они включали в себя конструкции, которые «далеко не соответствовали тому качеству ткани, которое они получают здесь».
Некоторые эксперты, однако, отмечают, что напечатанные ткани все еще относительно тонкие — около 50 микрон или диаметр человеческого волоса — поэтому они не полностью имитируют трехмерную сложность реального мозга.
«Недостаток заключается в том, что они могут напечатать только один слой и сложить их вместе, так что это больше похоже на 2,5D», — говорит оксфордский биоинженер и химик-биолог Линна Чжоу, которая не участвовала в исследовании.
Тем не менее, исследователи говорят, что эта технология может улучшить исследования развития мозга и болезней. Например, когда Чжан и его группа напечатали клетки с мутацией, связанной с нейродегенеративным заболеванием, называемым болезнью Александра, они увидели, что клетки образуют меньше связей, что повторяет наблюдения у людей. Подобные методы печати могли бы «сделать биоинженерные ткани более совместимыми с моделированием заболеваний», — говорит Чжоу. В конце концов, исследователи предполагают, что можно будет напечатать ткань, пригодную для трансплантации пациентам, потерявшим ткань головного мозга из-за инсульта, нейродегенерации или черепно-мозговой травмы.
Чжан и его команда по-прежнему считают, что есть много возможностей для улучшения технологии, например, добавления большего количества типов клеток для имитации и лучшего понимания их взаимодействия. В конце концов, «ткань по дизайну», говорит он, «может помочь расшифровать наш человеческий мозг».