Tufts的生物工程师创造了功能的3D脑状组织

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。

作为其潜力的第一次演示，研究人员使用脑状组织研究了创伤性脑损伤后立即发生的化学和电气变化，并且在单独的实验中，响应药物的变化发生变化。组织可以为研究正常脑功能以及伤害和疾病提供优异的模型，可以帮助开发脑功能障碍的新治疗方法。

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生长神经元，以研究他们在可控环境中的行为。然而，两个维度生长的神经元无法复制脑组织的复杂结构组织，这包括灰色和白质的隔离区域。在大脑中，灰质主要由神经元细胞体构成，而白质由轴承束构成，这是突起神经元彼此连接的突起。由于脑损伤和疾病经常影响这些区域，所以需要呈灰白和白质舱化的模型。

最近，组织工程师试图在3D凝胶环境中生长神经元，在那里它们可以在所有方向上自由地建立连接。然而，这些基于凝胶的组织模型并不能长久且不能屈服于稳健，组织级功能。这是因为细胞外环境是一种复杂的基质，其中局部信号建立促进不同细胞生长和/或发育和功能的不同邻域。简单地为神经元提供三维生长的空间是不够的。

现在，在8月11日11日在线版的国家科学院的报告，一群生物工程师报告说，他们已成功创建了呈现灰白色物质舱内的功能3D脑状组织，可以在实验室中存活超过两个月了。

“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。”

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。

在几周内，研究人员进行了实验，以确定在其3D脑状组织中生长的神经元的健康和功能，并将它们与仅在胶原凝胶环境中或2D盘中生长的神经元进行比较。研究人员发现，3D脑状组织中的神经元具有更高的神经元生长和功能的基因表达。此外，在3D脑组织中生长的神经元长达五周的稳定代谢活性，而在凝胶环境中生长的神经元的健康开始在24小时内恶化。关于功能，3D脑样组织中的神经元表现出电活动和响应性，其在完整的脑中看到的模拟信号，包括典型的电生理反应模式到神经毒素。

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。”

Kaplan强调了大脑组织寿命的重要性，以研究其他脑疾病。“我们可以在实验室中保持该组织的事实意味着我们可以以否则的方式开始看神经系统疾病，因为您需要长时间框架来研究一些关键的大脑疾病，”他说。

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，等人，“生物工程功能性脑状皮质组织，2014年PNAS; DOI：10.1073 / pnas.132421111

图片：塔夫茨大学