Прорывная технология, разработанная учеными Оксфордского университета, может в будущем обеспечить индивидуальное восстановление людей, получивших травмы головного мозга. Исследователи впервые продемонстрировали возможность 3D-печати нейронных клеток, имитирующих архитектуру коры головного мозга. Результаты исследования опубликованы сегодня(04/10/2023) в журнале Nature Communications.

Черепно-мозговые травмы, включая травмы, инсульты и операции по удалению опухолей головного мозга, обычно приводят к значительному повреждению коры головного мозга (внешнего слоя мозга), что влечет за собой трудности в познании, движении и общении. Например, ежегодно около 70 млн. человек в мире страдают от травматических повреждений головного мозга (ТПГМ), причем 5 млн. из них – в тяжелой форме или со смертельным исходом. В настоящее время не существует эффективных методов лечения тяжелых черепно-мозговых травм, что приводит к серьезным последствиям для качества жизни.

Перспективным направлением лечения черепно-мозговых травм в будущем могут стать методы тканевой регенерации, особенно те, при которых пациентам вводятся имплантаты, полученные из их собственных стволовых клеток. Однако до сих пор не существует метода, позволяющего добиться того, чтобы имплантированные стволовые клетки имитировали архитектуру мозга.

В новом исследовании ученые Оксфордского университета создали двухслойную ткань мозга с помощью 3D-печати нейральных стволовых клеток человека. При имплантации в срезы мозга мыши клетки продемонстрировали убедительную структурную и функциональную интеграцию с тканью хозяина.

Ведущий автор работы д-р Йонгченг Джин (химический факультет Оксфордского университета) сказал: “Это достижение знаменует собой значительный шаг на пути к созданию материалов, полностью повторяющих структуру и функции естественных тканей мозга. Эта работа предоставит уникальную возможность изучить работу коры головного мозга человека, а в перспективе даст надежду людям, получившим травмы головного мозга”.

Для создания структуры коры головного мозга использовались индуцированные плюрипотентные стволовые клетки человека (hiPSC), которые способны создавать типы клеток, присутствующие в большинстве тканей человека. Ключевым преимуществом использования hiPSC для восстановления тканей является то, что они могут быть легко получены из клеток, собранных у самих пациентов, и поэтому не вызывают иммунного ответа.

С помощью определенных комбинаций факторов роста и химических веществ hiPSC были дифференцированы в нейрональные прогениторные клетки для двух различных слоев коры головного мозга. Затем клетки суспендировали в растворе для получения двух “биоинков”, на которых затем печатали двухслойную структуру. В культуре напечатанные ткани сохраняли свою многослойную клеточную архитектуру в течение нескольких недель, о чем свидетельствовала экспрессия биомаркеров, специфичных для каждого слоя.

При имплантации напечатанных тканей в срезы мозга мышей наблюдалась сильная интеграция, о чем свидетельствовали проекция нейронных отростков и миграция нейронов через границу “имплантат-хозяин”. Имплантированные клетки также проявляли сигнальную активность, которая коррелировала с сигнальной активностью клеток хозяина. Это свидетельствует о том, что клетки человека и мыши общались друг с другом, демонстрируя как функциональную, так и структурную интеграцию.

В дальнейшем исследователи намерены усовершенствовать метод печати капель для создания сложных многослойных тканей коры головного мозга, более реалистично имитирующих архитектуру человеческого мозга. Помимо возможности восстановления травм головного мозга, такие ткани могут быть использованы для оценки лекарственных препаратов, изучения развития мозга, а также для улучшения понимания основ познания.

Новое достижение опирается на десятилетний опыт команды в области изобретения и патентования технологий 3D-печати синтетических тканей и культивируемых клеток.

Старший автор работы д-р Линна Чжоу (химический факультет Оксфордского университета) отметила: “Наша технология капельной печати позволяет создавать живые 3D-ткани с желаемой архитектурой, что приближает нас к созданию персонализированных имплантационных методов лечения травм мозга”.

Старший автор работы доцент Фрэнсис Сзеле (кафедра физиологии, анатомии и генетики Оксфордского университета) добавил: “Использование живых срезов мозга создает мощную платформу для изучения возможностей 3D-печати в восстановлении мозга. Это естественный мост между изучением развития 3D-печатных кортикальных колонок in vitro и их интеграцией в мозг в животных моделях травмы”.

Старший автор работы профессор Золтан Молнар (кафедра физиологии, анатомии и генетики Оксфордского университета) говорит: “Развитие человеческого мозга – это тонкий и сложный процесс со сложной хореографией. Было бы наивно полагать, что мы сможем воссоздать весь клеточный процесс в лабораторных условиях. Тем не менее, наш проект 3D-печати демонстрирует значительный прогресс в управлении судьбами и расположением человеческих iPSCs для формирования основных функциональных единиц коры головного мозга”.

Старший автор проекта профессор Хейген Бейли (химический факультет Оксфордского университета) сказал: “Это футуристическое начинание могло быть реализовано только благодаря междисциплинарному взаимодействию, поощряемому Оксфордской школой Мартина, с участием как химического факультета Оксфорда, так и факультета физиологии, анатомии и генетики”.

Jin, Y., Mikhailova, E., Lei, M. et al. Integration of 3D-printed cerebral cortical tissue into an ex vivo lesioned brain slice. Nat Commun 14, 5986 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41356-w

Источник

Фото: Капли, содержащие нейронные предшественники, полученные из iPSC человека, были изготовлены методом 3D-печати для формирования двухслойной ткани коры головного мозга, которую культивировали перед имплантацией в срез мозга мыши. DNPs - нейронные предшественники глубокого слоя; UNPs - нейронные предшественники верхнего слоя. Автор изображения: Yongcheng Jin, Оксфордский университет.