- 3月 29, 2022
用3D生物打印解码创伤性脑损伤
“虽然动物模型和2D模型提高了我们对血脑屏障生物学的理解，但3D生物打印模型提供了使用人类原代细胞来弥合与临床翻译之间差距的能力。”
—Dr. Galpayage Dona 博士
全球每年遭受的 7000万 创伤性脑损伤（TBI）中，大多数是非致命性的。费城坦普尔大学Lewis Katz医学院病理学和实验医学系Servio H.Ramirez神经血管研究实验室博士后研究员Kalpani N.Udeni Galpayage Dona博士警告说：“但损害并不止于此。”。“即使在最初的脑损伤数年后，我们仍能看到受体表达的变化，以及离子通道的改变，导致细胞死亡和一些神经元功能障碍，这可能导致慢性或终身的身体、认知和行为障碍，包括情绪波动、抑郁和焦虑。”
费城坦普尔大学Lewis Katz医学院病理学和实验医学系Servio H.Ramirez神经血管研究实验室 博士后研究员Kalpani N.Udeni Galpayage Dona博士告诫：“但损害并不止于此。”。“即使在最初的脑损伤数年后，我们仍能看到受体表达的变化，以及离子通道的改变，导致细胞死亡和一些神经元功能障碍，这可能导致慢性或终身的身体、认知和行为障碍，包括情绪波动、抑郁和焦虑。”
血脑屏障
中枢神经系统中血管的高度选择性通透性，也称为血脑屏障(BBB)，决定了哪些物质可以进入或离开脑血流，以维持体内平衡，保护大脑免受血液传播的病原体和毒素的侵害。先前对动物模型或2D细胞培养的研究表明，在TBI期间，BBB中内皮细胞之间的紧密连接可能受损。Galpayage-Dona博士承认这些进展，但认为2D细胞培养未能捕获构成BBB的神经血管单元的全部复杂性。虽然内皮细胞确实形成了血液流动的管腔，并可以实现BBB的功能，但这位佛罗里达大西洋大学的毕业生认为，内皮细胞与相邻细胞（包括神经元、周细胞和星形胶质细胞）的相互作用是调节所必需的。因此，为了正确研究TBI对BBB的影响，有必要开发一种能够更好地再现体内环境的多细胞3D模型。
光固化3D生物打印带来了新的曙光
为了重现大脑3D微血管的复杂性和体内血管的微流控特性，Galpayage Dona博士转向CELLINK的光固化 Lumen X+™ 3D生物打印机，由体积驱动。Lumen X+是第一款专为敏感生物材料和活细胞开发的DLP打印机，它具有一个直观的界面，可以上传3D CAD设计的STL文件，这些文件被分为几层，只需10秒即可交联，速度无与伦比。CELLINK的光固化 生物打印机还可提供低至50µm的XY分辨率和低至5µm的Z精度。Galpayage Dona博士说，除了Lumen X+的易用性、速度和精度之外，光固化生物打印所提供的灵活性非常重要，因为生物打印结构包括大脑微血管的3D支架，直径从100微米到300微米不等。
经过反复试验，Galpayage Dona博士发现，为了生物打印3D微流控支架，Volumetric的PEGDA PhotoInk™ 和 GelMA PhotoInk™ 组合效果最好. 之后，将生成的三维立方体微血管连接到一个带有两个针头的灌注装置上，通过灌注培养基，模拟血液流过微血管。
Galpayage Dona博士说：“我第二天将原代人脑微血管内皮细胞接种到支架上，如果我们在同一天接种内皮细胞，这些细胞就不会附着到ECM上。我成功地在支架中培养了胎儿和成人脑微血管内皮细胞，并在几天后观察到完全内皮化的血管系统。”
后续步骤
虽然有些人已经使用了从划痕试验到压缩到超音速冲击波的各种方法来研究体外TBI，但包括Galpayage Dona博士在内的大多数研究人员则选择了拉伸模型。为了合流，第七天是使用她的拉伸系统向完整内皮化的3D模型施加拉伸应变的最佳日期，但结果显示，当她向3D模型灌注药物右旋糖酐后，对照组与TBI组的渗透率没有显著差异，而右旋糖酐应被BBB阻断。她说，接下来的步骤将包括“通过在不同的时间点尝试不同程度的紧张，调查TBI的严重程度如何影响功能障碍”。
未来的另一步将更好地了解TBI如何影响神经回路。Galpayage Dona博士说：“我们没有看到神经干细胞在目前支架内的PhotoInk组合中发生分化，所以我们仍在研究水凝胶的组合会使这种情况发生。”她在玻璃载玻片上分化支架顶部的神经干细胞，然后用光照刺激它们，以跟踪神经元信息传递的路径。“一旦我们成功地在3D内皮化支架内分化出神经干细胞和星形胶质细胞，我们就可以更好地复制神经血管耦合，并可以看到这些通路在TBI前后的不同，”这位打算继续使用3D生物打印模型的研究人员说。
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Galpayage Dona KNU, Hale JF, Salako T, et al. Frontiers in Physiology. 2021. DOI:10.3389/fphys.2021.715431.
