Наш мозг имеет тонкую и сложную структуру, которая может быть повреждена травмой, инсультом, эпилепсией и операцией по удалению опухоли, что приводит к трудностям с общением, движением и познанием. Имплантированные стволовые клетки теоретически способны восстановить поврежденную ткань мозга. Но на практике до недавних пор было сложно воссоздать архитектуру мозга с использованием этих клеток.
В новом исследовании ученые из Оксфордского университета изготовили двухслойную ткань мозга путем 3D-печати нервных стволовых клеток человека, которые при имплантации в ткань мозга мыши интегрировались с ней как структурно, так и функционально.
Графическое изображение процесса от дифференцировки стволовых клеток до имплантации 3D-печатной ткани головного мозга.
Наша технология капельной печати дает возможность создавать живые 3D-ткани с желаемой архитектурой, что приближает нас к созданию персонализированных методов имплантации при травмах головного мозга
— Линна Чжоу, один из авторов исследования.
Искусственные стволовые клетки, созданные людьми, называемые hiPSC, могут стать настоящим прорывом в лечении различных тканей организма. Эти клетки получают путем генетической перепрограммации обычных соматических клеток, превращая их в состояние, очень похожее на эмбриональные стволовые клетки. Такая трансформация дает им удивительную способность превращаться в любой тип клеток организма. С помощью hiPSC можно регенерировать поврежденные ткани и помогать больным восстановить здоровье.
В текущем исследовании ученые сначала дифференцировали hiPSC на два типа нервных клеток-предшественников, предназначенных для формирования верхних и глубоких слоев коры головного мозга. Эти специфичные для слоев предшественники были использованы для создания двух типов биочернил, которые были напечатаны на слоистых тканях с помощью 3D-капельной печати — вида печати, который позволяет производить мягкие ткани без каркасов. Напечатанным клеткам-предшественникам давали созреть перед тем, как слоистые ткани были имплантированы в живую ткань мозга мыши, где их рост и активность контролировались в течение недели.
Имплантированные ткани продемонстрировали качественную интеграцию с клетками головного мозга мыши, включая образование нейрональных отростков — пальцеобразных ответвлений, которые проводят и передают нервные сигналы — и миграцию нейронов через границу между имплантатом и хозяином. Имплантированные клетки также продемонстрировали сигнальную активность, коррелирующую с клетками-хозяевами, что указывает на то, что клетки общаются друг с другом и демонстрируют функциональную и структурную интеграцию.
Развитие человеческого мозга — это тонкий и сложный процесс со сложной архитектурой. Было бы наивно думать, что мы сможем воссоздать всю клеточную прогрессию в лаборатории. Тем не менее, наш проект 3D-печати демонстрирует существенный прогресс в управлении поведением и расположением hiPSC человека, образующих основные функциональные единицы коры головного мозга
— Золтан Молнар, соавтор исследования.
Поскольку кора головного мозга человека имеет до шести слоев нервных клеток, исследователи планируют усовершенствовать технику 3D-капельной печати, чтобы создавать более сложные многослойные ткани, которые более реалистично имитируют архитектуру мозга. Помимо потенциального использования напечатанной ткани при лечении травм головного мозга, они говорят, что ее также можно использовать при тестировании лекарств, исследованиях развития мозга и для улучшения нашего понимания когнитивных функций.
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 и, в долгосрочной перспективе, даст надежду людям, получившим травмы головного мозга
— Юнчэн Цзинь, ведущий автор исследования.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.
