研究者らは新しい技術を使用して脳組織を 3 次元プリントし、その細胞は数週間以内に相互に通信できる機能的なニューロンに成長しました。彼らによれば、この方法は健康な脳と不健康な脳を研究したり、薬をテストしたり、単に脳がどのように発達するかを観察したりするのに使用できる可能性があるという。
可能な限り本物に近い臓器を作成することは、病気の病理学を調査したり新薬を試験したりする研究にとって非常に重要です。脳は、実験室で成長させたニューロンが機能的な接続を形成しなければならないことや、脳組織が複雑で繊細な構造をサポートする必要があることなど、独特の課題に直面しています。
ウィスコンシン大学マディソン校（UW-マディソン）の研究者らは、3Dプリンティング技術を利用して、正常な脳のように成長し機能する脳組織をプリントすることに成功した。
「これは、人間の脳細胞と脳の一部がどのように通信するかを理解するのに役立つ非常に強力なモデルになる可能性があります。幹細胞生物学、神経科学、多くの神経疾患や精神疾患の病因に対する見方を変える可能性があります」と、この研究の責任著者である張淑春氏は述べた。
研究者の目標は、構造を無傷に保ちながら、神経前駆細胞（NPC）が成熟し、層内および層間に接続（シナプス）を形成できる層状の神経組織を構築することでした。彼らは、神経細胞との生体適合性のため、組織プリンティング用の生体材料である「バイオインク」として、主にフィブリノーゲンとトロンビンで構成されるフィブリンヒドロゲルを選択しました。フィブリノーゲンとトロンビンは両方とも凝固プロセスにおいて役割を果たします。
フィブリンゲルは粘度が高いため印刷が困難であるため、研究者らはフィブリンゲルをヒアルロン酸ヒドロゲルと混合しました。混合物に配置されたより多くの NPC は生き残り、成熟しましたが、別の種類の水素を追加すると、以前に使用されたものよりもバイオインクが柔らかくなりました。
研究者らは、丈夫なバイオインクの厚い層を印刷する必要がある従来の垂直スタックアップ3Dプリンティング法を使用するのではなく、細胞注入ゲルの薄層またはストリップを別の細胞注入ゲルの薄層またはストリップの隣に水平方向に印刷することによって、パターン化された組織を作成した。印刷されたリボンの混合を防ぐために、研究者らは混合物を堆積させた直後に架橋剤としてトロンビンを使用しました。
印刷された細胞は指定された層内に留まりましたが、印刷後 2 ～ 5 週間以内に、ニューロンは層内および層間に機能的なシナプス接続を形成しました。
「この組織はまだ組織を保持するのに十分な構造を持っていますが、ニューロンが互いに成長して会話を始めることができるほど十分に柔らかいです」とチャン氏は述べた。 「私たちの組織は比較的薄く保たれているため、ニューロンは成長培地から十分な酸素と栄養素を容易に得ることができます。」
研究者たちは、バイオインク内の細胞のさまざまな組み合わせを使用して脳組織を印刷しようとしています。
「大脳皮質と線条体をプリントしたところ、発見されたものは驚くべきものでした」とチャン氏は語った。 「脳の異なる部分に属する異なる細胞を印刷したにもかかわらず、それらは依然として非常に具体的かつ具体的な方法で相互に通信することができました。」
研究者らは、彼らの方法により、細胞の種類と配置を正確に制御できるが、これは器官組織や他の印刷方法では不可能であると述べている。また、この印刷技術は組織を健康に保つための特別な装置や培養方法を必要としないため、多くの研究室で使用できます。
「私たちの研究室は非常に特別です。なぜなら、いつでもほぼあらゆるタイプのニューロンを生成することができ、それらをほぼいつでも、どのような方法でも組み立てて、人間の脳のネットワークがどのように機能するかを研究するための定義されたシステムを構築できるからです」とZhang氏は述べた。
研究者らは、印刷された組織で特定の細胞の配向を実現するために、バイオインクと装置を改良することを計画しています。
「現時点では、私たちのプリンタはデスクトップの商用プリンタです」と、この研究の筆頭著者であるヤン・ユアンウェイ・ヤン氏は語った。 「オンデマンドで特定の種類の脳組織を印刷できるように、いくつかの特殊な改良を加えることができます。」
研究者らは、印刷された脳組織は、ダウン症候群における細胞間のシグナル伝達、健康な組織とアルツハイマー病に罹患した組織との間の相互作用の研究、新薬候補の試験、または単に脳の発達の観察に使用できる可能性があると述べている。
この研究は、Cell Stem Cells誌に掲載されました。