به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، در مطالعه‌ای که اخیراً در نشریه Cell Stem Cell منتشر شده است، محققان بافت‌های مغز انسان را با چاپ زیستی سه‌بعدی تولید کردند که امکان ایجاد شبکه‌های عصبی فعال را فراهم می‌کند که می‌توانند فعالیت شبکه را در موقعیت‌های عادی و آسیب‌شناسی شبیه‌سازی کنند.

پیش زمینه

درک شبکه‌های عصبی در مغز انسان برای درک سلامت و بیماری مغز بسیار مهم است. با این حال، مدل‌های مبتنی بر حیوانات به دلیل تغییرات در ترکیب سلولی، شبکه‌های عصبی و یکپارچگی سیناپسی، نمی‌توانند به طور موثر پردازش داده‌های مرتبه بالای مغز انسان را بازتولید کنند. پرینت زیستی سه بعدی روش دقیق تری برای ایجاد بافت‌های مغز انسان با تغییر موقعیت فیزیکی هیدروژل‌ها و سلول‌های زنده در داخل یک ساختار فیزیولوژیکی پیچیده ارائه می‌دهد. با این حال، چاپ زیستی بافت‌های نرم، مانند مغز، نگران‌کننده است زیرا مواد زیستی نرم نمی‌توانند معماری‌های سه بعدی پیچیده یا ژل‌های سفت و سخت را حفظ کنند.

درباره مطالعه

در مطالعه حاضر، محققان یک پلت فرم چاپ زیستی سه بعدی را برای تولید بافت‌هایی با انواع سلول‌های مغز انسان در هر بعد دلخواه توسعه دادند. هدف این تیم ساخت بافت‌های عصبی لایه‌ای، از جمله سلول‌های پیش‌ساز عصبی (NPC) بود که اتصالاتی را در داخل و بین لایه‌های مغز ایجاد می‌کنند و ساختار را دست نخورده نگه می‌دارند. آن‌ها یک رنگ زیستی برای چاپ ایجاد کردند. آن‌ها از ژل فیبرین برای چاپ بافت‌ها استفاده کردند. روش‌های چاپ زیستی شامل تکنیک‌های مبتنی بر اکستروژن، لیزری و مبتنی بر قطره است. تکنیک چاپ زیستی سه بعدی اکستروژن، ژل را در لایه‌هایی برای شبیه‌سازی ساختارهای مغزی مانند لایه‌های قشر انسان رسوب می‌کند. محققان ضخامت 50 میلی متری را برای هر لایه انتخاب کردند و با قرار دادن لایه‌ها در یک آرایش افقی در مجاورت یکدیگر، بافت‌های چند لایه ساختند. آن‌ها بافت‌های مغزی چاپ‌شده با چاپ سه بعدی را طوری طراحی کردند که نسبتاً نازک، اما کاربردی و چند لایه، با ترکیبات سلولی ثابت و ابعاد مطلوب باشند و به راحتی در یک محیط آزمایشگاهی استاندارد نگهداری و آزمایش شوند. محققان تعیین کردند که 2.50 میلی گرم در هر میلی لیتر فیبرینوژن و 0.50 تا 1.0 U ترومبین غلظت‌های بهینه برای تشکیل هیدروژل است که منجر به مدت زمان ژل شدن 145 ثانیه می‌شود که امکان چاپ صفحه 24 چاهی را فراهم می‌کند. پس از شش ساعت، اکثر سلول‌ها (85درصد) زنده بودند و به مدت هفت روز زنده ماندند. این تیم گاما آمینو بوتیریک اسید (GABA) مشتق از برجستگی گانگلیونی داخلی (MGE) و پیش سازهای قشر (گلوتامات) را از سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی (hPSCs) بیانگر پروتئین فلورسنت سبز (GFP+) و GFP- تولید کردند تا بررسی کنند که آیا GABAergic و اینترگلوتامورژیک نورون‌ها هنگامی‌که در بافت‌های چاپ شده قرار می‌گیرند، اتصالات سیناپسی ایجاد می‌کنند. (گابا یا گاما آمینو بوتیریک اسید (GABA) یک میانجی عصبی مهم در سیستم عصبی مرکزی پستانداران است که عموماً نقش مهاری دارد یعنی موجب مهار تحریکات نورون‌ها یا تضعیف آن‌ها می‌شود. گابا ناقل عصبی اصلی به وجود آورنده IPSPs در نورون‌های مغز است و در نخاع نیز اهمیت دارد (به‌طور کلی در  CNS گیرنده‌های گابا به دو نوع GABAA و GABAB تقسیم می‌شوند.) قبل از چاپ، آن‌ها دو جمعیت اجدادی را در نسبت 1:4 ترکیب کردند تا با نسبت نورون‌های بین نورون به نورون‌های برآمدگی قشر مغز در قشر مغز مطابقت داشته باشند. محققان داده‌های الکتروفیزیولوژیکی را از بافت‌های چاپ شده با اجداد قشر گلوتاماترژیک GFP+، اجداد MGE GABAergic غیررنگی و پیش‌سازهای آستروسیت مشتق از hPSC ثبت کردند که در نورون‌های گلوتامات و سلول‌های عصبی GABA گنجانده شده بودند. بافت چاپ شده با یک نشانگر آکسونی SMI312 رنگ آمیزی شد. آن‌ها بیماری الکساندر (AxD)، یک بیماری تخریب کننده عصبی ناشی از ناهنجاری‌های ژن GFAP را برای بررسی مکانیسم‌های بیماری زا مورد مطالعه قرار دادند. آن‌ها از تصویربرداری زنده از جذب گلوتامات توسط گزارشگران فلورسنت حساس به گلوتامات (iGluSnFR) برای بررسی تعاملات نورون-آستروسیت و اتصالات نورون-گلیال در AxD استفاده کردند.

نتایج

پیش سازهای عصبی چاپ شده در عرض چند هفته به نورون تبدیل شدند و شبکه‌های عصبی عملکردی را در داخل و در سراسر لایه‌های بافتی تشکیل دادند. اجداد آستروسیت چاپ شده به آستروسیت‌هایی با فرآیندهای پیچیده بالغ می‌شوند تا در شبکه‌های نورون-آستروسیت عمل کنند. تکنیک‌های کشت مرسوم می‌توانند بافت‌های سه بعدی مغز را حفظ کنند و بررسی آن‌ها را در محیط‌های فیزیولوژیکی و پاتولوژیک آسان‌تر کنند. زنده ماندن سلولی با افزایش غلظت ترومبین در غلظت فیبرینوژن 2.50 میلی گرم در میلی لیتر کاهش یافت، اما در غلظت ثابت 0.50 U فیبرینوژن بدون تغییر باقی ماند و سلول‌ها در سطوح فیبرینوژن افزایش یافتند. سلول‌های عصبی چاپ زیستی بالغ شده و شکل بافت را حفظ کردند، با سلول‌های بیان کننده GFP در یک باند که یک هفته پس از چاپ به نورون‌های پروتئین 2 مرتبط با میکروتوبول (MAP2+) تبدیل می‌شوند. بافت چاپی یک پیکربندی پایدار را حفظ کرد که در آن اجداد عصبی تکثیر شده و شبکه‌های عصبی ایجاد کردند. زیرگروه‌های عصبی شبکه‌های عملکردی را در بافت‌های چاپ‌شده زیستی ایجاد کردند، با سلول‌های MGE مشتق از hPSC که NK2 homeobox 1 (NKX2.1) و GABA و اجداد قشر مغز را برای Forkhead-box G1 (FOXG1) و جعبه جفت 6 (PAX6) بیان می‌کنند. ساختارهای بافت عصبی چاپ زیستی رشد نورون‌های گلوتاماترژیک قشر مغز و نورون‌های GABAergic را تقویت می‌کنند. محققان از محلول کلرید پتاسیم با غلظت بالا برای چاپ بافت‌های حاوی نورون‌ها و آستروسیت‌ها استفاده کردند و اتصالات عملکردی را نشان دادند. آستروسیت‌ها ناقل گلوتامات 1 (GLT-1) را بیان کردند که نشان دهنده بلوغ است. نوارهای عصبی قشر و مخطط چاپ شده 15 روز پس از چاپ دست نخورده باقی ماندند و نوریت‌های GFP و mCherry نسبت به یکدیگر توسعه یافتند. بافت‌های چاپ شده مغز انسان ممکن است فرآیندهای بیمار را تکرار کنند، با آستروسیت‌های AxD که تجمع GFAP درون سلولی را نشان می‌دهند. در 30 روز، نورون‌های MAP2 + و آستروسیت‌های GFAP + مورفولوژی پیچیده و بیان سیناپسین را نشان دادند.

نتیجه گیری

به طور کلی، یافته‌های مطالعه توانایی چاپ سه بعدی را برای تولید بافت‌های مغزی کارآمد برای شبیه‌سازی فعالیت شبکه در شرایط عادی و آسیب‌شناسی نشان داد. بافت‌های ایجاد شده با بیوئینک، ارتباطات سیناپسی عملکردی را بین زیرگروه‌های عصبی و شبکه‌های نورون-آستروسیت در دو تا پنج هفته برقرار می‌کنند. پلت فرم سه بعدی یک محیط تعریف شده برای مطالعه شبکه‌های مغز انسان در محیط‌های سالم و آسیب شناسی فراهم می‌کند. با این حال، محدودیت‌هایی مانند نرمی ژل و ضخامت 50 میلی متری بافت‌های چاپ شده دارد.

پایان مطلب./