供稿人：白路歌、王玲 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-10-31
了解人脑神经网络的运作机制，对于探索大脑的健康和疾病至关重要。然而，由于动物和人类在神经元组成、突触整合和神经网络方面的差异，动物模型不能精确地概括人类大脑的高阶信息处理功能，因此需要一种可用于功能网络评估的可靠的活体人类神经组织模型。为了解决此问题，来自威斯康辛大学的张素春团队构建了基于纤维蛋白原水凝胶的生物墨水体系，使用商业生物打印机将不同类型的人类神经细胞以所需的尺寸进行组装，形成具有特异性的功能性神经回路。
首先，研究者通过人神经祖细胞（hNPCs）的存活率确定了生物墨水的浓度和交联条件（图1A-1C），最终选择2.5 mg/mL纤维蛋白原和0.5 U凝血酶进行水凝胶构建，交联时间为145±10 s。在此条件下hNPCs的7天存活率维持在80%以上。在打印后第4天，hNPCs分化为所需的TUJ1+神经元（图1D），逐渐表达成熟的神经元标记物MAP2和NeuN并呈现出椎体形态（图1E, 1F)，第35天在神经突上观察到突触点（图1H, 1I），第40天出现树突棘标志物（图1G），这些证明纤维蛋白凝胶支持人神经祖细胞向皮层神经元的成熟和突触发生。
图1 生物墨水浓度及交联条件对人神经祖细胞的影响
因为纤维蛋白凝胶具有高粘度而无法打印，因此研究者将纤维蛋白凝胶与透明质酸混合得到可打印生物墨水，使用表达mCherry的纹状体神经元（红色）和表达GFP的皮层神经元（绿色），打印了层宽为50mm的水平分层结构（图2A）。打印后的15天内，皮质和纹状体神经元带保持着良好的组织分离，但其神经突相向生长形成物理接触（图2B）。有趣的是，研究者发现层间特异性地形成了从皮质神经元到纹状体神经元的轴突投射模式（图2C），这与在体情况十分相似。研究者进一步打印了表达黄色荧光蛋白的皮质神经元与表达红钙指示物的纹状体神经元（图2D, 2E），钙信号检测结果（图2F-2H）和电生理记录（图2I-2N）都表明刺激皮质神经元会引起纹状体神经元的反应，证明了打印组织中形成的神经元网络的惊人特异性。
持人神经祖细胞向皮层神经元的成熟和突触发生。
图2 皮层-纹状体神经组织的打印及形态、功能评价
此外，研究者采用此打印平台，使用了皮质谷氨酸能神经元等其他神经元亚型以及星形胶质细胞，构建了多种不同的功能性神经网络乃至阿尔兹海默症模型，大大扩展了此打印平台的应用范围。
综上所述，这项研究开发了一种适合于分化神经元的生存、神经突生长和突触形成的生物墨水，并通过水平打印条带设计了一种特殊的组织图案，易于活细胞成像和电生理记录。打印的神经组织在2-5周内形成了功能性神经网络，为在生理和病理条件下检测人类神经网络提供了一个明确的平台，具有良好的应用前景。