PNAS：科学家制备出功能性人造3D大脑

在2014年8月11日《PNAS》杂志发表的一项研究中，研究人员报道称，他们已经成功制备出功能性的三维脑样组织，可表现分明的灰白质，并能够在实验室存活两个多月的时间。

　　

生物通报道：最近，生物工程学家已经制备出一种功能性三维脑样组织，具有类似于大鼠脑组织的结构特征，可在实验室中存活两个多月的时间。

作为其潜力的第一次演示，研究人员使用脑样组织，来研究创伤性脑损伤后立即发生的化学和电变化，以及出现在药物反应中的变化（在一个单独的实验中）。该组织能够为研究正常脑功能以及脑损伤和脑疾病，提供一种优秀的模型，并有助于开发脑功能障碍的新疗法。

这种脑样组织是在美国塔夫斯大学组织工程资源中心开发的，这项研究是由美国国家生物医学成像和生物工程研究所（NIBIB）资助，以制备创新性的生物材料和组织工程模型。塔夫斯大学工程学教授David Kaplan博士是该中心的主任，并带领开发脑样组织的研究工作。

目前，科学家们通过在培养皿中培养神经元，来研究它们在一个可控环境中的行为。然而，二维生长的神经元不能复制脑组织的复杂结构组织，包括隔离区和灰白质。在大脑中，灰质主要是由神经元细胞体组成，而白质是由轴突（投射神经元，发出去与另一个连接）束组成。因为脑损伤和脑疾病往往会差异性地影响这些区域，因此需要一种模型，可表现灰质和白质的划分。

最近，组织工程师们试图在三维凝胶中培养神经元，在那里它们可以在所有方向上自由地连接。然而，这些凝胶为基础的组织模型存活时间不长，无法产生强大的、组织水平的功能。这是因为细胞外环境是一种复合矩阵，在矩阵中局部信号建立了不同的区域，促进不同的细胞生长和/或发育及功能。简单地为神经元三维生长提供空间是不够的。

在2014年8月11日《PNAS》杂志发表的这项研究中，研究人员报道称，他们已经成功制备出功能性的三维脑样组织，可表现分明的灰白质，并能够在实验室存活两个多月的时间。

NIBIB组织工程学项目主任Rosemarie Hunziker博士称：“这项研究工作是一件很不容易的事情。它把对脑生理学的深刻理解和不断发展的生物技术工具结合在一起，来产生一种必要、充分的环境，用以模拟大脑功能。”

产生脑样组织的关键是，制备一种新的复合结构，由两种具有不同物理性能的生物材料组成：由丝蛋白制造的一种海绵框架，和一种较柔软的胶原质凝胶。支架作为一种结构，神经元可以自己锚定在上面，凝胶可促使轴突通过它而生长。

为了实现灰白质的划分，研究人员把海绵框架切成一种圆环形状，并用大鼠神经元填充它。然后，他们用胶原质凝胶填充圆环的中间，使其遍布框架各处。在短短的几天内，神经元围绕着支架的中孔就形成了正常运转的神经脉络，并能够从框架的一端向另一端传递神经信号。在这个人造大脑中，一个独特的白质区（主要包含轴突）形成于圆环的中间；灰质则环绕在周围，神经细胞体多集中在此处。

经过几个星期的时间，研究人员开展了实验，以确定生长在三维脑样组织中的神经元的健康和功能，并将它们与生长在仅胶原质凝胶环境或二维培养基中的神经元进行对比。

研究人员发现，在三维脑样组织的神经元中，参与神经元生长和功能的基因表达更高。此外，生长在三维脑样组织中的神经元，可保持稳定的代谢活性长达五周的时间，而生长在仅凝胶环境的神经元，在24小时内其健康开始恶化。

因为三维脑样组织显示类似于啮齿类动物大脑组织的物理特性，因此研究人员试图确定，是否可以用它来研究创伤性脑损伤。为了模拟创伤性脑损伤，他们从不同高度对脑样组织加以重力。然后，研究人员记录了神经元电活动和化学活性的变化，发现这与创伤性脑损伤动物研究中通常所观察到的反应相似。

Kaplan说，在一个组织模型中研究创伤性损伤的能力，能够提供超越动物研究的优势，在动物研究中，大脑被解剖和准备用于实验的时候，会延误测量。

Kaplan称：“根据我们这个系统，你基本上可以实时地跟踪创伤性脑损伤的组织反应。最重要的是，你也可以跟踪修复和经过较长时间发生了什么。”

Kaplan强调了脑样组织的寿命对于研究其他脑疾病的重要性：“我们能够在实验室中保持这种组织几个月的时间，这意味着，我们能够以你所不能用的方法来研究神经系统疾病，因为你研究一些关键的脑部疾病，需要一定的时间段。”

Hunziker补充说：“我们希望，使用这种模型可以加速脑功能障碍治疗方法的开发，也为研究正常脑生理学提供一种更好的方法。”

Kaplan及其研究小组正在调查，他们如何可以使这种组织模型更加接近于大脑。在最近的报告中，研究人员证明他们可以改造圆环框架，改造后它由6个同心圆组成，每个都用不同类型的神经元填充。这样的安排可以模拟人类六层大脑皮质，在每一层中存在不同类型的神经元。

（生物通：王英）

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生物通推荐原文摘要：
Bioengineered functional brain-like cortical tissue
Abstract：The brain remains one of the most important but least understood tissues in our body, in part because of its complexity as well as the limitations associated with in vivo studies. Although simpler tissues have yielded to the emerging tools for in vitro 3D tissue cultures, functional brain-like tissues have not. We report the construction of complex functional 3D brain-like cortical tissue, maintained for months in vitro, formed from primary cortical neurons in modular 3D compartmentalized architectures with electrophysiological function. We show that, on injury, this brain-like tissue responds in vitro with biochemical and electrophysiological outcomes that mimic observations in vivo. This modular 3D brain-like tissue is capable of real-time nondestructive assessments, offering previously unidentified directions for studies of brain homeostasis and injury.