Създадоха 3D принтирана мозъчна тъкан, която разкрива нови възможности за лечение на невродегенеративни заболявания

Експерти от Университета на Уисконсин-Медисън в САЩ създадоха мозъчна тъкан с помощта на 3D принтер, която може да расте и да функционира като нормалната. Тяхното постижение може да се окаже ключово за лечението на множество неврологични заболявания като болест на Алцхаймер и болест на Паркинсон.

Професорът по невронауки и неврология от центъра Waisman към Университета на Уисконсин-Медисън д-р Су-Чун Занг допълва: „Изследванията върху 3D принтирана мозъчна тъкан са невероятна възможност да научим повече за комуникацията между мозъчните клетки и различните части на човешкия мозък. Не е изключено дори да променят представите ни за биологията на стволовите клетки, невронауката и патогенезата на не едно неврологично или психично разстройство.“

Нито един метод за принтиране на мозъчна тъкан досега не е бил толкова успешен, твърдят специалисти от лабораторията на д-р Занг. Той е описан подробно в списание Cell Stem Cell.

Хоризонтално подреждане на невроните

Вместо да използват традиционното вертикално напластяване в 3D принтирането, учените избират хоризонтално. Те поставят мозъчните клетки – неврони, култивирани в индуцирани плурипотентни стволови клетки – в по-мек от преди гел с „биомастило“. Средата е достатъчно здрава, за да задържи клетките, но в същото време им позволява да растат, да се свързват една с друга, а оттам и да комуникират помежду си. Невроните са подредени един до друг, така както подреждаме моливи на бюро. По този начин тъканта остава сравнително тънка, което е много важно за снабдяването с кислород и хранителни вещества от заобикалящата среда.

Активна комуникация между клетките в мозъка

Резултатите от иновативния 3D метод са впечатляващи. Мозъчните клетки се свързват и могат да осъществяват комуникация както хоризонтално, така и вертикално. Те образуват невронни мрежи много сходни с тези в човешкия мозък. Невроните предават сигнали, взаимодействат си с помощта на невротрансмитерите и дори изграждат нови мрежи с помощни клетки.

Д-р Занг пояснява: „Създадохме 3D модел на мозъчна кора и ивичесто тяло и бяхме много изненадани от онова, което се случи. Въпреки че клетките бяха различни и принадлежаха към различни части на мозъка, те продължаваха да комуникират помежду си по уникален начин.“

Специална подредба на невроните в принтираната тъкан

Техниката на принтиране, използвана от американския екип, е много прецизна. Чрез нея се контролират както видовете клетки, така и тяхното подреждане, което не е било осъществимо при мозъчните органоиди (миниатюрни органи, създадени с изследователска цел). Органоидите не подлежат на строга организация и контрол.

>>> Модел на конволюционна невронна мрежа имитира функциите на мозъка

Принтиране по зададен дизайн

Д-р Занг пояснява, че в лабораторията могат да се създадат почти всички видове неврони. След това те се подреждат в зависимост от целите на екипа и по начин, който смятат за най-подходящ. Тъй като тъканта може да се принтира по предварително зададен дизайн, за учените е много по-лесно да наблюдават как точно функционира невронната мрежа. „Имаме възможност да изследваме начина, по който нервните клетки взаимодействат помежду си при различни условия, защото на практика принтираме точно това, което искаме“, добавя експертът.

Гъвкавостта дава огромно предимство, защото принтираната мозъчна тъкан* би могла да се използва за проследяване комуникацията между клетки при хора със синдром на Даун, между здрава тъкан и нейна съседна, която е засегната от болест на Алцхаймер, както и за тестване на нови лекарства и наблюдение върху процесите на развитие на мозъка.

По-старите 3D модели не са позволявали да се изследват процесите в невронната мрежа, а човешкият мозък работи точно така – в мрежи. Неговите клетки не функционират самостоятелно.

Приложение на 3D принтираната мозъчна тъкан

Принтираната мозъчна тъкан може да намери широко приложение в почти всеки аспект от работата на учените от център Waisman, например молекулни механизми, обуславящи мозъчното развитие, човешкото развитие, нарушения в развитието, невродегенеративни заболявания и много други.

Предимства на новия метод за 3D принтиране

Според д-р Занг новата техника за принтиране трябва да е достъпна за повече лаборатории. Тя не изисква специализирано оборудване за биопринтиране или прилагането на методи за култивиране, които да поддържат тъканта здрава. Мозъчната тъкан може да се изследва с микроскоп, стандартна техника за образна диагностика и електроди, които вече се използват широко в научната област.

Експертите от Университета на Уисконсин-Медисън планират да въведат някои подобрения в биомастилото и да усъвършенстват оборудването, което ще им позволи да променят ориентацията на клетките.

Към момента 3D принтерът е универсален, но колегите на Занг възнамеряват да направят някои разработки, за да могат да принтират различни видове мозъчна тъкан в зависимост от целите на екипа. 

* Yuanwei Yan et al, 3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity, Cell Stem Cell, 2024.