Tufts的生物工程师创造了功能的3D脑状组织

生物工程师创造出了具有功能的3D类脑组织

神经元在整个支架孔(暗区)中形成功能网络。图片由塔夫茨大学提供。

Tufts大学组织工程资源中心的生物工程人员创造了三维脑状组织,其功能如下,具有与大鼠脑中的组织类似的结构特征。

生物工程师创造了一种功能,类似物的脑状组织产生,并且具有与大鼠脑中的组织类似的结构特征,并且可以在实验室中保持活力超过两个月。

作为对其潜力的首次展示,研究人员利用这种类脑组织,研究了创伤性脑损伤后立即发生的化学和电变化,以及在另一项单独的实验中,对药物反应所发生的变化。该组织可以为研究正常的脑功能、损伤和疾病提供优越的模型,并可以帮助开发脑功能障碍的新疗法。

BASTIMS组织是在波士顿塔夫茨大学的组织工程资源中心开发的,由国家生物医学成像和生物工程(NIBIB)提供资金,以建立创新的生物材料和组织工程模型。David Kaplan,Ph.D.Tufts大学工程师教授是该中心的总监,并领导了开发组织的研究努力。

目前,科学家们在培养皿中培养神经元,以研究它们在可控环境中的行为。然而,在二维空间中生长的神经元无法复制复杂的脑组织结构组织,脑组织由分隔的灰质和白质区域组成。在大脑中,灰质主要由神经元细胞体组成,而白质则由成束的轴突组成,轴突是神经元发出的投射物,用来连接彼此。因为脑损伤和疾病对这些区域的影响通常不同,所以需要展示灰质和白质分区的模型。

最近,组织工程师试图在3D凝胶环境中培养神经元,在这种环境中,神经元可以自由地在各个方向建立连接。然而,这些以凝胶为基础的组织模型寿命不长,也不能产生健壮的、组织水平的功能。这是因为细胞外环境是一个复杂的基质,在这个基质中,局部信号建立不同的邻域,促进不同的细胞生长和/或发育和功能。仅仅为神经元提供三维生长的空间是不够的。

现在,在8月11日的《美国国家科学院院刊》网络版上,一组生物工程师报告说,他们已经成功地创造出了具有功能的3D类脑组织,该组织具有灰白色物质的划分功能,并且可以在实验室中存活两个多月。

“这项工作是一个特殊的壮举,”Nibib组织工程的节目总监Rosemarie Hunziker说。“它结合了对大型和不断增长的生物工程工具的脑生理学深入了解脑生理学,以创造一个必要且足以模仿大脑功能的环境。”

研究人员像组织一样创造功能3D脑

显示灰色白质子舱内化的脚手架甜甜圈图。大鼠神经元附着在支架上(甜甜圈环),并通过胶原凝胶凝胶中心送出轴突(标记为绿色荧光)。

产生脑状组织的关键是产生一种新的复合结构,该结构包括两种具有不同物理性质的生物材料:由丝蛋白和更柔软的胶原蛋白制成的海绵状支架。支架用作神经元可以锚定本身的结构,并且凝胶促使轴突通过它而生长。

为了实现灰白质物质舱位化,研究人员将海绵状脚手架切成甜甜圈形状并用大鼠神经元填充它。然后他们用基于胶原蛋白的凝胶填充甜甜圈的中间,随后渗透到支架上。在短短几天内,神经元在脚手架的孔周围形成功能网络,并通过中心凝胶发送较长的轴突突起以与甜甜圈的相对侧的神经元连接。结果是在甜甜圈中心形成的不同的白质区(含有大多数细胞突起,轴突),其与周围的灰质(其中浓缩细胞体)分离。

在几周的时间里,研究人员进行了实验,以确定在3D类脑组织中生长的神经元的健康和功能,并将它们与在仅使用胶原凝胶的环境中生长的神经元或在2D培养液中生长的神经元进行比较。研究人员发现,3D类脑组织中的神经元与神经元生长和功能相关的基因表达更高。此外,在3D类脑组织中生长的神经元在长达5周的时间里保持稳定的代谢活动,而在只使用凝胶的环境中生长的神经元在24小时内就开始恶化。在功能方面,3D脑样组织中的神经元表现出电活动和反应,模拟完整大脑中的信号,包括对神经毒素的典型电生理反应模式。

由于3D脑状组织显示与啮齿动物组织类似的物理性质,因此研究人员试图确定他们是否可以使用它来研究创伤性脑损伤。为了模拟创伤性脑损伤,将重量从不同的高度滴到脑状组织上。然后,研究人员记录了神经元电气和化学活性的变化,其证明类似于在创伤性脑损伤的动物研究中通常观察到的内容。

Kaplan表示,在组织模型中研究创伤性损伤的能力提供了对动物研究的优势,其中在解剖和准备实验时测量延迟测量。“通过我们拥有的系统,您可以实际上可以实时跟踪组织应对创伤性脑损伤,”卡普兰说。“最重要的是,您也可以开始跟踪修复,并且在更长的时间内发生了什么。”

卡普兰强调了类脑组织的长寿对于研究其他脑部疾病的重要性。他说:“事实上,我们可以在实验室中保存这种组织数月,这意味着我们可以开始以其他方式来研究神经系统疾病,因为你需要很长时间来研究一些关键的大脑疾病。”

功能性3D脑样组织

用扫描电子显微镜拍摄的丝绸基脚手架的图像显示其多孔,海绵状组合物。图片由塔夫茨大学提供。

Hunziker添加了,“良好的模型使能彻底测试的实体假设。希望这种模型的使用可能导致脑功能障碍的加速度,以及为研究正常脑生理学的更好方式提供更好的方法。“

Kaplan和他的团队正在研究他们如何使他们的组织模型更加大脑。在这一最近的报告中,研究人员展示了它们可以改变它们的甜甜圈脚手架,使其由六个同心环组成,每个戒指都能够用不同类型的神经元填充。这种布置将模仿六层人脑皮质,其中存在不同类型的神经元。

作为组织工程资源中心的资金协议的一部分,NIBIB要求将中心产生的新技术与更大的生物医学研究界共享。

“我们期待与想要在这种组织模型上建立的其他实验室建立合作,”Kaplan说。

这项工作得到了NIH国家生物医学成像研究所和Bieangineering的支持#EB002520

出版物:Min D. Tang-Schomer,等,“生物工程功能性脑状皮质组织,PNAS,2014;doi: 10.1073 / pnas.1324214111

图片:塔夫斯大学

3评论在“塔夫茨的生物工程”创造了功能性3D脑状组织“

  1. 这款组织模型是否预计实际用途是什么?它是否可以专门用于辅助测试模拟,或者有可能会产生合成组织更换的可能性吗?

  2. 希望这能带来治疗老年痴呆症的方法。

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