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3D 生物打印具有功能连通性的人体神经组织

期刊: Cell Stem Cell, 2024, 31(2): 260-274.e7
DOI: 10.1016/j.stem.2023.12.009
PMID: 38306994
作者: Yuanwei Yan, Xueyan Li, Yu Gao, Sakthikumar Mathivanan, Linghai Kong, Yunlong Tao, Yi Dong, Xiang Li, Anita Bhattacharyya, Xinyu Zhao, Su-Chun Zhang
机构: 威斯康星大学麦迪逊分校 Waisman Center；新加坡杜克-国大医学院；南京大学
通讯作者: Su-Chun Zhang (suchun.zhang@wisc.edu)
专利: "Methods for Printing Functional Human Neural Tissue" (Application#18/057,026)

📋 摘要

研究人员开发了一种 3D 生物打印平台，使用商用生物打印机将具有明确人类神经细胞类型的组织组装成所需尺寸。打印的神经元祖细胞在数周内分化为神经元，并在组织层内和层间形成具有特异性的功能性神经回路，证据包括皮层到纹状的投射、自发性突触电流以及对神经元兴奋的突触响应。打印的星形胶质细胞祖细胞发育为具有复杂突起的成熟星形胶质细胞，形成功能性的神经元-星形胶质细胞网络，在生理和病理条件下通过钙通量和谷氨酸摄取响应神经元兴奋。

🔬 核心科学问题

研究背景：

现有技术的局限性：

🧪 技术方案

1. 生物墨水（Bioink）开发

基础材料选择：

最优配方：

成分 浓度 说明
纤维蛋白原 2.5 mg/mL 支持细胞存活
凝血酶 0.5 U 凝胶化时间约 145±10 秒
透明质酸 添加 提高可打印性

细胞存活率：6 小时后 >85%，7 天后 ~80%

2. 打印策略创新 — 水平打印

传统方法 vs 本新方法：

特征 传统方法 本新方法
打印方向 垂直堆叠 水平并排沉积
单层厚度 较厚（>200 μm） 50 μm
支撑 硬凝胶支架 无需支架，自支撑
神经网络 层间连接受阻 层间功能性连接
氧气扩散 受限 充足（薄层设计）

打印尺寸：单层带 5000 (长) × 500 (宽) × 50 (高) μm

3. 细胞类型

细胞类型 来源 标记物 功能
皮质谷氨酸能祖细胞 hPSC 分化 21 天 FOXG1+, PAX6+ 兴奋性神经元
MGE GABA 能祖细胞 hPSC 分化 21 天 NKX2.1+, GABA+, PAX6- 抑制性中间神经元
纹状体祖细胞 hPSC 分化 CTIP2+, DARPP32+ 纹状体中型多棘神经元
星形胶质细胞祖细胞 hPSC 分化 GFAP+, S100β+ 支持性胶质细胞

📊 关键实验数据

Figure 1. 纤维蛋白凝胶中神经元存活与分化

Figure 1. Survival and differentiation of hPSC-derived neurons in fibrin hydrogel

关键数据：

Figure 2. 神经组织打印设计

Figure 2. Printing neural tissues by design

关键数据：

Figure 3. 打印组织内神经元功能连接

Figure 3. Functional connections between neurons in the printed tissue

关键数据：

Figure 4. 星形胶质细胞与神经元结合

Figure 4. Incorporation of astrocytes with neurons in printed tissues

关键数据：

Figure 5. 神经元 - 星形胶质细胞网络

Figure 5. Neural network between neurons and astrocytes in the printed tissue

关键数据：

Figure 6. 皮层 - 纹状体功能网络

Figure 6. Functional network between cortical and striatal neuronal layers

关键数据：

Figure 7. 亚历山大病（AxD）病理建模

Figure 7. Modeling AxD using the printed tissue

关键数据：

🌟 创新点

  1. 水平打印策略 — 首次实现水平并排沉积而非垂直堆叠，解决层间神经网络形成难题
  2. 功能性连通性 — 首次证明 3D 打印的人类神经组织内和层间形成功能性突触连接（EPSC/IPSC）
  3. 星形胶质细胞网络 — 首次展示打印的星形胶质细胞形成功能性神经元 - 胶质细胞网络（钙通量 + 谷氨酸摄取）
  4. 皮层 - 纹状模型 — 构建具有特异性皮层到纹状投射的多层组织，模拟大脑回路
  5. 病理建模 — 成功建模亚历山大病（AxD），展示平台在疾病建模中的应用

⚠️ 局限性

  1. 无血管系统，组织依赖扩散供氧，厚度限制在 50-200 μm
  2. 缺乏微环境复杂性：未包含小胶质细胞、血管内皮细胞等其他脑细胞类型
  3. 体外培养时间最长 60 天，更长期的成熟和功能未评估
  4. 高通量限制：每个 24 孔板打印一个组织

💡 与产品线关联

产品 关联说明
CELLINK BIO X6 挤出式打印技术路线一致；纤维蛋白 - 透明质酸生物墨水可用；神经组织是明确应用场景
3Brain CorePlate 50 μm 薄层组织非常适合 HD-MEA 平面电极记录；文中电生理验证已证明功能性
Celvivo ClinoStar 精确控制细胞空间分布的理念契合；自动化 3D 培养可与打印组织结合

📎 原文与完整数据

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