Mózg z druku?
Naukowcy potrafią wydrukować w 3D tkankę, która wygląda i zachowuje się jak fragment mózgu. Stało się to możliwe, gdy jeden z zespołów zmodyfikował dotychczas stosowane techniki drukowania 3D, tak by łączyć wiele podtypów komórek, które naśladują sygnalizację w ludzkim mózgu. Czy to nadzieja dla pacjentów, którzy utracili tkankę mózgową wskutek udaru, neurodegeneracji lub urazu?
Fot. Adobe Stock
Nowa technologia, która opisana została w Cell Stem Cell, może stać się alternatywą dla istniejących technik używanych przez neurobiologów do wytwarzania trójwymiarowych tkanek mózgowych w laboratorium, na przykład z wykorzystaniem komórek macierzystych. W ten sposób hodowane są przypominające mózg konstrukty – organoidy. Badacze nie są jednak w stanie kontrolować typów komórek ani ich dokładnej lokalizacji.
"Każdy organoid jest inny, co utrudnia odtworzenie wyników badań" – twierdzi neurobiolog Su-Chun Zhang z Uniwersytetu Wisconsin-Madison, autor nowego badania cytowany przez Science.
"Przy zastosowaniu odpowiedniego rodzaju druku 3D można kontrolować, gdzie umieszczane są różne typy komórek" – przekonuje z kolei biolog Francis Szele z Uniwersytetu Oksfordzkiego.
Wcześniejsze próby wykorzystania drukarek 3D do konstruowania tkanek mózgowych umożliwiły zbadanie, w jaki sposób komórki dojrzewają i tworzą połączenia. Powiodły się także próby integrowania wydrukowanej tkanki z mózgami myszy. Jak jednak zwraca uwagę Science, konstrukcje te miały ograniczoną funkcjonalność, a te bardziej udane opierały się na komórkach szczurzych, a nie ludzkich.
"Zespół Zhanga wydrukował oddzielne poziome linie ludzkich komórek progenitorowych, czyli macierzystych, neuronów i glejów. Naukowcy zmodyfikowali także hydrożel, który działa jak klej między komórkami. Ich nowatorska receptura zapewniła wsparcie tkance, ale nie była na tyle sztywna, aby uniemożliwiać komórkom poruszanie się ani tworzenie połączeń" – wskazuje Science.
Powstałe struktury 3D naśladowały rozwijające się mózgi, a komórki tworzyły połączenia we własnym paśmie, a także rozszerzały je w kierunku innych pasm. Umożliwiło to naukowcom obserwację dojrzewania i łączenia komórek progenitorowych.
Zielono-czerwone warstwy
Naukowcy wykorzystali drukarkę i różne typy ludzkich komórek mózgowych, aby stworzyć cienką tkankę, która działała podobnie do rozwijającego się mózgu. Następnie zespół stworzył różne konstrukty, drukując różne komórki o określonych proporcjach. Np. jeden konstrukt łączył neurony hamujące i pobudzające, które komunikują się za pomocą różnych typów neuroprzekaźników. Potem badacze dodali astrocyty, ważny rodzaj komórek pomocniczych. W wielu przypadkach neurony wytwarzały sygnały elektryczne, a astrocyty wchłaniały neuroprzekaźnik – glutaminian, co sugeruje tworzenie się połączeń funkcjonalnych podobne do tych w mózgu.
Kiedy badacze połączyli dwa typy komórek obserwowane w zewnętrznej korze mózgu i głębszym prążkowiu, odkryli, że komórki korowe rozciągają się w stronę komórek prążkowia, czyli części kresomózgowia, ale nie odwrotnie, tak jak to widać w ludzkim mózgu. Według naukowców wskazuje to, że możliwe jest odtworzenie jego konstrukcji.
Niektórzy eksperci zauważają, że drukowane struktury są nadal stosunkowo cienkie – mają ok. 50 mikronów, czyli tyle co średnica ludzkiego włosa – więc nie naśladują w pełni trójwymiarowej złożoności prawdziwego mózgu.
„Wadą jest to, że można wydrukować tylko jedną warstwę i ułożyć kolejną, więc przypomina to raczej 2,5D” – mówi niebiorąca udziału w badaniu Linna Zhou, bioinżynier i biolog z Oksfordu.
Postęp na miarę nadziei?
Czy ta technologia może przyczynić się do rozwoju badań nad rozwojem mózgu i chorobami neurologicznymi? Zhang i jego zespół wydrukowali komórki zawierające mutację związaną z uwarunkowanym genetycznie zaburzeniem neurodegeneracyjnym nazywanym chorobą Aleksandra. Powoduje ona wystąpienie zmian w istocie białej ośrodkowego układu nerwowego. Badacze zaobserwowali, że zmutowane komórki tworzą mniej połączeń, co potwierdza obserwacje u ludzi.
Zdaniem autorów badania w przyszłości możliwe będzie wydrukowanie tkanki nadającej się do przeszczepienia pacjentom, którzy utracili tkankę mózgową wskutek udaru, neurodegeneracji lub urazu. Zhang i jego zespół widzą miejsce na dalszy rozwój technologii, między innymi poprzez rozszerzenie listy drukowanych typów komórek, aby lepiej zrozumieć ich interakcje.
„Drukowana tkanka może pomóc w rozszyfrowaniu ludzkiego mózgu” – mówi Zhang cytowany przez Science.
Beata Igielska zdrowie.pap.pl
Źródło:
https://www.science.org/content/article/3d-printer-creates-brain-tissue-acts-real-thing
