开发用于星形细胞生物打印的水凝胶
迈向3D脑组织模型的一步
研究人类大脑
了解人类大脑仍然是科学中最重要的部分之一。尽管科学家们已经取得了重大进展，但由于缺乏有效的人脑模型，进一步的推进仍然受到了阻碍。研究人员通常依赖于复杂的2D共培养方法或动物模型。这些可能既昂贵又耗时，而且不能准确地代表人脑。
KTH皇家理工学院的Anna Herland博士和林雪平大学的Daniel Aili博士认识到，有必要使研究人员能够开发更多复杂类脑结构的生物米特模型，如脑血屏障（BBB）和中枢神经系统。血脑屏障在过滤血液中的化合物方面起着至关重要的作用。它确保大脑组织获得营养、激素和较小分子的供应，同时免受病原体和有害颗粒的侵害。
该团队一直着迷于细胞如何受到不同材料的影响，以及它们如何在微环境中相互作用，并认识到模拟细胞外基质（ECM）环境对开发准确的血脑屏障3D模型的重要性。为了实现这一点，在3D中培养星形胶质细胞是关键的一步。
Photographer: Olov Planthaber, Linköping University
星形胶质细胞及其培养的水凝胶的作用
星形胶质细胞是大脑中最丰富的细胞类型，具有多种功能。星形胶质细胞为神经元提供结构支持，调节细胞外空间中的化学物质水平，并帮助形成血脑屏障。它们还在受损神经组织的修复和再生以及突触活动的调节中发挥作用，突触活动对学习和记忆很重要。
对于研究人员来说，了解星形胶质细胞如何受到培养材料的影响非常重要。Anna Herland 博士和 Daniel Aili 博士团队的密切合作使他们开发了一种模块化和可生物打印的水凝胶系统，可以模仿 ECM 的关键方面，并将允许调整胎儿原代星形胶质细胞和基于透明质酸 (HA) 的水凝胶之间的相互作用。
水凝胶含有肽细胞粘附基序、cRGD和IKVAV。选择这些基序是因为已经证明在合成ECM模型中可以改善细胞附着。此外，它们增加了细胞分化为神经元的能力，并促进了分支的生长。
用于星形胶质细胞的生物打印工程水凝胶
该团队的目标是为神经元样细胞，特别是星形胶质细胞创造一种水凝胶，适用于生物打印等先进的生物制造方法。这将能够创建更复杂的3D模型，具有精确的结构并控制水凝胶和细胞的组成和分布。与生物衍生的水凝胶基质相比，开发工程水凝胶的驱动力之一是实现更具可重复性的实验。合成水凝胶可以更好地控制细胞的行为，并确保生物墨水的一致性。
为了确保使用载有星形胶质细胞的水凝胶作为生物墨水进行生物打印的可能性，Aili博士利用了BIO X和注射器打印头。该团队将结构打印成网格图案，并分析细胞数量和形态。
在优化水凝胶系统后，该团队证实，尽管它是一种较软的生物材料，但它的打印分辨率很高。 它还保持稳定并支持细胞生长。 该团队在印刷过程中和之后观察到高细胞活力，并且细胞产生的压力很小。
“打印过程非常简单。 我们不确定的唯一因素是星形胶质细胞如何耐受生物打印过程。 根据我们使用的水凝胶成分，我们看到了很大的差异。 但有了正确的水凝胶成分，细胞表现得很好。”
复制大脑结构复杂性的关键一步
在为期6天的实验中，观察到使用基于HA的水凝胶打印星形胶质细胞使细胞能够展开分支，并以形成网络的模式连接到附近的细胞。特殊设计的水凝胶使星形胶质细胞能够被打印、生长和维持。这一突破创造了开始复制大脑中复杂结构和空间复杂性的潜力。这对于开发更先进的脑组织和疾病模型至关重要。
神经科学中的应用
该小组的工作在神经科学领域有着很好的应用前景。血脑屏障的三维模型可以回答基本问题。例如，在药物开发中，3D模型将提供一种工具来研究和更好地了解药物如何渗透血脑屏障。
该团队计划继续合作开发健康组织和疾病组织的模型，并与临床医生密切合作。临床医生的投入和参与是成功的关键，也是确保所提出的研究问题具有相关性的关键。
生物打印创造了研究更多奇妙问题的机会
近5年来，Aili博士的研究小组一直在使用BIO X生物打印机。根据Aili博士的说法，能够使用生物打印机与他的团队的研究重点方向非常一致。
“使用生物打印机使我们能够提出更多有趣的研究问题，并使我们进行当前的研究。”
任何建议?
当向Aili博士请教有什么建议给希望将生物打印融入研究的科学家时，他鼓励研究人员迈出这一步，勇于尝试生物打印。然而，他也强调深入了解所涉及的材料和细胞系统的重要性
他也强调了能将具有不同背景和知识的不同群体聚集在一起在这个领域是迈向成功至关重要的一步。
