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美培育3D类脑组织 实验室存活两个月

2014/08/14 来源:科技日报
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导读
美国研究人员最近培育出一种与老鼠大脑功能和结构极其相似的3D大脑样组织,其在实验室里的存活时间超过两个月。该组织可为研究正常脑功能以及脑损伤和疾病提供一个高质量模型,并有助于开发针对脑功能障碍的新疗法。相关文章发表在《国家科学院学报》杂志上。

美国生物工程师近日成功创建出三维脑状组织,其功能和结构特征类似于大鼠的脑组织,并可在实验室中存活两个多月。他们还首次展示了这个类脑组织的应用潜力,可研究颅脑损伤后立即发生的化学和电变化,以及药物反应引起的变化。该组织可为研究正常脑功能以及脑损伤和疾病提供一个高质量模型,并有助于开发针对脑功能障碍的新疗法。


神经元(黄绿色)依附在支架(蓝色)上的共聚焦显微镜图像

塔夫茨大学组织工程资源中心主管戴维·卡普兰博士带领的研究团队在美国《国家科学院学报》网络版上报告说,他们创建的这个功能性3D类脑组织能够呈现大脑灰质(神经元细胞体聚集而成)和白质(轴突聚集而成)的区分。由于不同脑损伤和疾病影响的区域不同,理想的大脑模型就需要能够复制这种灰质和白质隔离的复杂结构。

据物理学家组织网8月11日(北京时间)报道,培养这个类脑组织的关键在于利用具有不同物理属性的两种生物材料创建一个新型复合结构:一个由丝蛋白制成、供神经细胞生长的海绵状支架,以及一种基于胶原蛋白、为轴突生长提供便利的柔软凝胶。

为了实现灰质和白质的区分,研究团队将海绵支架切成甜甜圈的形状,并用大鼠神经元填充,然后在“甜甜圈”的中央放入凝胶,凝胶随即会渗透并遍布支架。短短几天后,神经元便在支架的孔隙周围形成功能性网络,并“吩咐”较长的轴突穿过中央凝胶与另一侧的神经元连接。其结果是,“甜甜圈”的中间形成白质区域,鲜明地区别于周围的灰质。


扫描电子显微镜拍摄的丝蛋白支架的海绵状多孔结构

研究团队利用在2D实验皿中以及仅在胶原蛋白基凝胶环境下培育的神经元进行了几周的比较实验,以确定这个3D类脑组织中神经元的健康状况和功能。他们发现,3D类脑组织中的神经元在生长和功能方面都出现了基因的高表达。此外,这些神经元能够维持长达五周的稳定代谢活性,而仅在凝胶环境下生长的神经元在24小时内便开始恶化。在功能上,3D类脑组织中的神经元发出了与完整大脑中所见的电活性和反应类似的信号,包括针对一种神经毒素表现了典型的电生理学响应模式。

借助这个类脑组织进行的创伤性脑损伤研究也显示,记录下的神经元电化学活性的变化与动物研究通常观察到的结果类似。卡普兰说,利用一个组织模型来研究创伤性脑损伤比进行动物实验更具优势,“你基本上可以实时追踪组织对创伤的反应”。

为了使该组织模型更像大脑,研究团队最近还将“甜甜圈”改造为包含6个同心环的支架,每一个环中能够填充不同类型的神经元,以此模仿拥有6层的人类大脑皮质。


用丝蛋白制成的同心环状支架,可模拟新皮质的6个分层。每一环都被染成了不同颜色,并被分别填充了神经元。

总编辑圈点

如同马铃薯繁殖,神经元集合的“块茎”中,钻出新芽,抽出新枝,直到枝繁叶茂,克隆出新脑。它或许奇形怪状,不像人脑,但仍是最复杂的人造神经组织。目前科学家只是用它做一些简单的反射实验。但未来它说不定会比人脑更厉害,因为其大小不受颅骨限制。考虑到人脑操纵的机器已有雏形,人造脑又有突破,“软脑硬壳”的生物机械统一体,走出科幻电影或许不会用时太久。

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