Na Uniwersytecie Wisconsin–Madison powstała pierwsza na świecie funkcjonalna tkanka mózgowa wytworzona za pomocą drukarki 3D. Tkanka ta może rosnąć i rozwijać się w taki sam sposób, jak naturalna tkanka mózgowa. Osiągnięcie to ma ważne implikacjach dla naukowców badających mózg i pracujących nad metodami leczenia szerokiego zakresu zaburzeń neurologicznych i neurorozwojowych, takich jak choroby Alzheimera i Parkinsona.
Technologia druku trójwymiarowego wykorzystywana jest do wielu rzeczy. Za jej pomocą powstają domy, protezy (więcej na ten temat w tekście: Student weterynarii z Wrocławia drukuje protezy dla okaleczonych psów), implanty (Lekarze wszczepili kobiecie ucho wydrukowane z jej własnych komórek), a nawet organy, jak serce (Naukowcy wydrukowali serce z komórek pacjenta).
Technologia biodruku znacznie rozwinęła się w ciągu ostatnich lat. W miarę opracowywania nowych biomateriałów do wytwarzania biotuszy, drukarki 3D otrzymały zupełnie nowe możliwości. Dzięki temu badacze mogli wytwarzać tkanki i nawet modele ludzkich narządów. Teraz udało się wydrukować tkankę mózgu, która może rozwijać się i tworzyć połączenia w taki sam sposób, jak prawdziwa ludzka tkanka mózgowa.
Wyniki i opis badań ukazał się na łamach pisma „Cell Stem Cell” (DOI: 10.1016/j.stem.2023.12.009).
Osiągnięcie zespołu z Uniwersytetu Wisconsin–Madison zapewnia neurobiologom nowe narzędzie do badania komunikacji między komórkami mózgowymi a innymi częściami ludzkiego mózgu, co może potencjalnie prowadzić do lepszych sposobów leczenia chorób neurodegeneracyjnych. - Może to zmienić sposób, w jaki patrzymy na biologię komórek macierzystych, neuronaukę i patogenezę wielu zaburzeń neurologicznych i psychiatrycznych – mówi Su-Chun Zhang, jeden z autorów publikacji.
Według Zhanga, to stosowane metody drukowania ograniczyły powodzenie poprzednich prób drukowania tkanki mózgowej. W nowych pracach uczeni zamiast tradycyjnego podejścia do druku 3D, polegającego na układaniu warstw w pionie, zdecydowali się ustawić je poziomo. Umieścili komórki mózgowe, neurony wyhodowane z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych, w żelu biotuszu. Jednak użyty w tych badaniach bioatrament miał nieco inną konsystencję, był bardziej miękki niż tusze stosowane podczas poprzednich prób. Tkanka wydrukowana z takiego biotuszu zachowuje swoja strukturę i jest na tyle delikatna, aby umożliwić neuronom wzajemne zrośnięcie się i rozpoczęcie komunikacji.
- Nasza tkanka pozostaje stosunkowo cienka, co ułatwia neuronom uzyskanie wystarczającej ilości tlenu i składników odżywczych z pożywki wzrostowej – mówi Yuanwei Yan z laboratorium Zhanga.
Wydrukowane komórki nie tylko potrafią się ze sobą komunikować. Tworzą połączenia wewnątrz każdej drukowanej warstwy, a także pomiędzy niemi. W ten sposób powstaje sieć porównywalna do ludzkich mózgów. Neurony komunikują się, wysyłają sygnały, oddziałują ze sobą za pośrednictwem neuroprzekaźników, a nawet tworzą odpowiednie sieci z komórkami podporowymi dodanymi do drukowanej tkanki.
- Wydrukowaliśmy korę mózgową i prążkowie i to, co odkryliśmy, było dość uderzające. Nawet gdy wydrukowaliśmy różne komórki należące do różnych części mózgu, nadal były one w stanie komunikować się ze sobą w bardzo szczególny i specyficzny sposób – mówi Zhang. Dzieje się tak dzięki precyzji, jaką zapewnia nowa technika druku, która oferuje kontrolę nad rodzajem i rozmieszczeniem komórek – niespotykaną w organoidach mózgowych, miniaturowych narządach używanych do badania mózgu. Organoidy rosną przy mniejszej organizacji i kontroli.
„Opracowaliśmy platformę biodruku 3D do składania tkanek ze zdefiniowanymi typami ludzkich komórek nerwowych w pożądanym wymiarze przy użyciu komercyjnej biodrukarki. Wydrukowane progenitory neuronalne różnicują się w neurony i tworzą funkcjonalne obwody nerwowe w obrębie i pomiędzy warstwami tkanki w ciągu kilku tygodni. Wydrukowane progenitory astrocytów rozwijają się w dojrzałe astrocyty o skomplikowanych procesach i tworzą funkcjonalne sieci neuron-astrocyty” - napisali autorzy badań w publikacji. Dodali, że taka tkanka przyda się do badań mózgu, lepszego zrozumienia działania sieci neuronowych, modelowania procesów patologicznych. Posłuży też jako platformy do testowania leków.
- Jesteśmy w stanie wyprodukować praktycznie każdy typ neuronów w dowolnym momencie. Możemy je złożyć w dowolny sposób. Ponieważ możemy wydrukować tkankę zgodnie z projektem, możemy mieć zdefiniowany system sprawdzający, jak działa sieć ludzkiego mózgu. Możemy bardzo dokładnie przyjrzeć się temu, jak komórki nerwowe „rozmawiają” ze sobą w określonych warunkach, ponieważ możemy wydrukować dokładnie to, czego chcemy – podkreśla Zhang.
Wydrukowaną tkankę mózgową można wykorzystać do badania sygnalizacji między komórkami w zespole Downa, interakcji między zdrową tkanką a sąsiadującą tkanką dotkniętą chorobą Alzheimera, testowania nowych kandydatów na leki, a nawet obserwowania wzrostu mózgu. Większość strategii biodruku koncentruje się na naśladowaniu w pełni dojrzałych tkanek. W przyszłości metody biodruku mogą uwzględniać wcześniejsze stadia rozwojowe.
Nowa technika nie wymaga specjalnego sprzętu ani metod hodowli, aby utrzymać zdrową tkankę, dlatego też powinna być dostępna dla wielu laboratoriów. Do tego taką tkankę można badać za pomocą mikroskopów i innego sprzętu zwykle spotykanego w większości laboratoriów.
Źródło: University of Wisconsin–Madison, fot. Flickr/ DJ/ CC BY-SA 2.0
