3D生物打印基质中神经网络的多尺度构建与功能研究

 在神经科学研究中，高效建立能准确模拟神经网络结构和功能连接的体外模型至关重要，3D生物打印技术虽潜力巨大，但成熟神经元脆弱易受操作影响，且此前3D生物打印原代神经细胞存在存活率低、分析不全面等问题，构建具有多尺度神经网络组织的功能性原代神经组织是主要挑战。来自北京协和医院马文斌、毛一雷教授团队，利用挤出式3D生物打印技术，优化打印参数和模型设计，采用明胶甲基丙烯酰（GelMA）构建了包含E18大鼠皮层神经元的3D neuMatrix，该模型具有良好神经元存活率，能形成具有局部和长距离功能轴突连接的3D脑样神经网络，还可用于缺血性中风等疾病建模。相关工作以“Multiscale Organization of Neural Networks in a 3D Bioprinted Matrix”为题发表在《Advanced Science》上。

研究内容
     通过挤出式3D生物打印技术，将胚胎18天的大鼠皮层神经元与GelMA（一种凝胶材料）混合后逐层打印，构建了3D neuMatrix。结果表明3D neuMatrix中的神经细胞存活率高，并且随着培养时间的推移，逐渐形成了类似大脑的3D神经网络结构，还能用于疾病建模、药物筛选等。
 

利用免疫荧光染色和3D重建技术，研究了3D neuMatrix中神经细胞的类型和连接情况。结果显示3D neuMatrix中主要是成熟的神经元，还有少量星形胶质细胞，这些神经细胞形成了局部和长距离的纤维连接，构成了复杂的神经网络。
 

采用钙信号成像技术，观察3D neuMatrix中神经细胞的功能活动及对药物的反应。结果表明3D neuMatrix中的神经细胞存在自发的钙振荡，并且不同神经集群之间有同步的信号传递，使用不同的神经递质受体拮抗剂能调节神经细胞的放电频率和同步性。
 

通过RNA测序技术，比较了3D neuMatrix、2D培养神经元和E18大鼠皮层的基因表达谱。结果显示3D neuMatrix的转录组更接近E18大鼠皮层，在细胞间相互作用、细胞外基质组织等通路的表达上与体内组织更为相似，说明其在分子水平上具有较高的生物 fidelity。
 

运用单细胞核RNA测序技术，分析了3D neuMatrix在培养第1天和第7天的细胞组成和分化情况。结果表明3D neuMatrix重现了大脑皮层的多种细胞类型，包括兴奋性神经元、抑制性神经元、星形胶质细胞等，并且随着培养时间的延长，细胞逐渐分化成熟，神经功能相关的基因表达增加。
 

通过氧葡萄糖剥夺/复氧（OGD/R）处理，在3D neuMatrix和2D培养神经元中建立缺血性中风模型，并与大鼠大脑中动脉 occlusion/reperfusion（MCAO/R）模型的转录组进行比较。结果显示3D neuMatrix在OGD/R处理后，细胞活力下降，神经功能受损，其转录组特征更接近大鼠MCAO/R模型，能更好地模拟缺血性中风的病理生理过程。
 

研究结论
    本研究成功构建了名为3D neuMatrix的体外神经组织，借助3D生物打印技术实现了对细胞组件和神经回路的精准调控以及空间组织的可调节性。单细胞分析显示，在体外培养过程中，神经元亚型和神经胶质细胞得以分化，神经通讯相关基因的表达水平有所提升。通过疾病建模进一步证实，3D neuMatrix在中枢神经系统疾病的发病机制研究和治疗性研究方面具有构建更贴近生理真实模型的潜力。

文章来源：
https://doi.org/10.1002/advs.202504455