供稿人:王森、王玲 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2020-12-18
由于体外和动物模型欠佳，因此目前对人脑发育的理解仍处于初级阶段。特别是尚不清楚初始细胞位置分布如何影响之后的人类皮质发育，因为体外控制皮质细胞的空间分布技术上具有挑战性。生物3D打印提供了定制化结构的快速制造方法。但大脑是最柔软的组织之一，而目前的生物打印较硬的材料，形成机械支撑支架，或直接打印含细胞的基于多糖聚合物的比大脑硬的组织，无法很好的复现胞外基质（ECM）的复杂特性。
近期，牛津大学化学系的Hagan Bayley团队开发了一种基于脂双层支撑的3D打印技术，成功实现了载细胞的柔软且生物相容性好的ECM材料—基质胶（Matrigel）的打印，打印的神经细胞最长可存活达100天，并对时间相关的中枢神经系统发育事件提供了深入的洞察和分析。所谓脂双层支撑的3D打印技术是指：将含细胞的ECM液滴在脂质的油浴中打印，相邻的液滴之间形成了界面双层膜（DIB）（图1a），它为支持打印的液滴网络3D结构和促进设计图案形成提供了关键附着力，并可通过改变喷嘴尺寸和打印脉冲的幅值和持续时间调节打印液滴的直径（图1b）。在后续的Matrigel的凝胶化过程中采取步进式的升温方案，以维持液滴之间的3D网络结构。（如图1d）
图1 脂双层支撑的液滴软组织生物3D打印
研究人员打印并培养含人神经干细胞的三维阵列结构，验证了不同细胞密度的神经组织构建的可行性，以及它们在长时间内的自组织和分化能力，并利用钙离子成像验证打印结构的神经元功能性，结果显示打印4天后出现自发钙离子振荡，44天后显示出更频繁和规则的钙离子振荡，网络连通性更高。
进一步的，设计了内外两层结构，引发了一系列皮质发育特征，包括神经元迁移，分化，轴突生长和星形胶质形成，并发现星形胶质细胞对神经束的晚期发育事件有深远影响（图2）。
图2 星形胶质细胞在预先形成图案的皮质组织中诱导轴突束
最后，结合结合快速细胞编程方法在短时间内构建由人神经元和星形胶质细胞构成的定制化结构的皮质组织，进一步验证了神经元和星形胶质细胞之间的不可逆的化学排斥作用。
该研究开发了一种打印ECM类软组织的全新方法，可以构建预设计细胞类型和结构的类脑组织，在洞察大脑发育及疾病过程建模等方面有良好的应用前景。