塔夫斯大学(Tufts University)研究团队成功开发出一种 3D 大脑模型,在工程学院、医学院、Sackler 学院及杰克逊实验室(Jackson Laboratory)的合作下,模型不仅是模仿大脑的结构和功能特征,甚至还可以展示“神经活动”,随着研究持续,相信未来对神经疾病的相关认知将会更加深入。
过去科学家在 2D 模型中生长、培养脑组织细胞,但因为 2D 的限制.并无法观察天然神经网络的复杂性,即使是成功打造的 3D 模型也都缺少一个关键成分──来自活人的神经元。由于神经元很少会从健康患者身上移除,同时通常被限制在患者死后才可用,这也为相关研究增添了困难性。
随着干细胞技术的进步,可以从皮肤在内许多部位取得的诱导性多功能干细胞(iPSCs)也为相关大脑研究带来了曙光。透过将 iPS 细胞转化为神经元,并训练它们在由丝蛋白(silk protein)和胶原蛋白制成的支架上生长,团队成功打造出它们称之为“大脑环境”(a model of the brain environment)的模型。
尽管过去也有其他团队运用 iPS 细胞制作出类似大脑的类器官,但塔夫斯团队的大脑环境因为具有多孔结构,为神经元提供了关键的氧合作用(oxygenation)和营养,因此可以在天然的状态下发挥作用,同时每个 3D 培养矩阵中心的“窗户”也让研究人员可以视觉观察每个细胞的生长、组织以及行为。
▲ 阿兹海默症患者的神经元(绿色)与星形胶质细胞(astrocytes, 红色标记)一同存在于丝蛋白和胶原蛋白的打造的多孔基质(蓝色)。(Source:Tufts University)
论文第一作者、塔夫茨大学 Sackler 学院 William Cantley 表示,无论使用的是来自健康个体的细胞或是患者的细胞,在 3D 组织模型中的神经网络生长都是非常持续且一致的。随着阿兹海默症、帕金森氏症和其他神经疾病患者细胞得以使用,这项突破意味着团队现在可以研究这些疾病是如何开始、进程又是如何,以及对治疗会做出何种反应。
团队正在思考如何使模型更为复杂,同时也在研究涉及讯息传导、学习、可塑性及退化的相互作用。研究已经刊登在《ACS 生物材料科学与工程》(生物材料科学与工程)期刊上。
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(首图来源:shutterstock)