代爾夫特理工大學3D打印“類腦環境”，為治療神經疾病提供新工具
時間：2025-02-04 20:06 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年2月1日，來自代爾夫特理工大學 (TU Delft) 的研究人員開發了一種 3D 打印的“類腦環境”，其中神經元的生長方式與真實大腦相似。他們使用微小的納米柱模擬軟神經組織和大腦的細胞外基質纖維。打印模型為神經元如何形成網絡提供了新的見解，同時也為未來了解這一過程在阿爾茨海默病、帕金森病和自閉癥譜系障礙等神經系統疾病中可能如何變化提供了一種新工具。
相關研究以題為“Deciphering the Influence of Effective Shear Modulus on Neuronal Network Directionality and Growth Cones’ Morphology via Laser-Assisted 3D-Printed Nanostructured Arrays”的論文發表在《先進功能材料》雜志上并成為其封面文章，揭示了對神經元生長錐的新見解。
神經元與身體中的許多細胞一樣，對周圍環境的硬度和幾何形狀有反應。傳統的培養皿是扁平而堅硬的，與大腦柔軟的纖維狀細胞外基質環境不同。為了模擬這種環境的幾何和機械特性，代爾夫特理工大學副教授 Angelo Accardo 的團隊利用雙光子聚合設計了納米柱陣列。
納米柱陣列的制造和特性。A) 陣列參數的示意圖。B) 納米柱“條帶”的 3D 渲染。C) 不同高度的納米柱陣列的 SEM 圖像：i) 基座、ii)0.6 µm、iii) 1 µm、iv) 2.3 µm、v) 3.3 µm 和 vi) 5 µm)。比例尺對應于 5 µm。D) 納米柱條帶的 SEM 圖像（此圖中面積為 30 × 30 µm 2）。比例尺對應于 15 µm。E) 測量的柱間間隙和直徑（以 µm 為單位）。平均值和標準偏差基于n = 50 個納米柱的測量值。F) 與不同納米柱陣列高度（以 µm 為單位）相關的有效剪切模量（以 MPa 為單位）。
這些納米柱的每一根都比人的頭發細一千倍，像微型森林一樣排列在表面上。通過改變納米柱的長寬比，研究人員調整了它們的有效剪切模量，即細胞在納米結構陣列上爬行時能夠感知到的機械特性。阿卡多說：“這會讓神經元‘認為’它們處于一個柔軟的、類似大腦的環境中，盡管納米柱的材料本身是堅硬的。在神經元爬行時，納米柱不僅會模擬腦組織的柔軟度，還會提供神經元可以抓住的 3D 納米結構，就像真實腦組織中的細胞外基質納米纖維一樣。”這會影響神經元的生長和連接方式。
有序網絡
為了測試該模型，研究人員在納米柱上培養了三種不同類型的神經元細胞——它們來自小鼠腦組織或人類干細胞。在傳統的平板培養皿和二維生物材料中，神經元以隨機方向生長。然而，在 3D 打印的納米柱陣列上，這三種細胞類型都以更有組織的模式生長——以特定角度形成網絡。
阿卡多說：“這些類似手的結構引導著正在生長的神經元尖端尋找新的連接。在平坦的表面上，生長錐會散開并保持相對平坦。但在納米柱陣列上，生長錐會發出長長的手指狀突起，探索周圍環境的各個方向——不僅沿著平面，而且在三維空間中，類似于真實大腦環境中發生的情況。”
這項研究的第一作者喬治·弗拉莫拉基斯說：“此外，我們發現納米柱創造的環境似乎也促進了神經元的成熟。與在平坦表面上生長的神經祖細胞相比，在納米柱上生長的神經祖細胞顯示出更高水平的成熟神經元標志物。這表明該系統不僅影響生長方向，還促進神經元成熟。”
研究腦部疾病
Accardo 說道：“在凝膠等軟質材料上培養神經元的問題在于，膠原蛋白或 Matrigel 等凝膠基質通常存在批次間差異，且不具備合理設計的幾何特征。納米柱陣列模型兼具兩者的優點：它表現得像一個具有納米特征的軟環境，并且由于雙光子聚合的分辨率而具有極高的可重復性。”
通過更好地復制神經元的生長和連接方式，開發的模型可以對健康大腦網絡與阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥和自閉癥譜系障礙等神經系統疾病相關的大腦網絡之間的差異提供新的見解。
代爾夫特理工大學的工作是機械工程學院 (PME、BmechE 和 DCSC)、應用物理學院 (ImPhys) 和 ErasmusMC 三個部門的聯合努力。此項研究得到了機械工程學院和 NWO XS 資助。
(責任編輯：admin)
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