【Cell子刊】生物打印新突破：天津大学姚斌团队研发多孔水凝胶神经系统

2024年12月10日，天津大学医学院姚斌团队在期刊《Cell Reports Physical Science》上发表了题为“Digital light processing bioprinting neural systems with porous hydrogel in structure and function for disease models”的研究论文。研究结果表明，这种GelMA-葡聚糖生物墨水具有可调的互连孔隙率，在数字光处理生物打印方面表现出卓越的可打印性。基于这种生物墨水，团队成功制作了中枢神经和周围神经模型，并探索了炎症条件下中枢神经模型中的细胞相互作用，以及受高糖和高胆固醇影响的周围神经模型的结构变化。它可以帮助研究人员模拟和研究神经系统在糖尿病等病理条件下如何受到影响，同时也为开发新型治疗策略提供了有力的工具。

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(24)00625-8

关于人体神经系统疾病模型

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人体神经系统是人体中结构和功能最复杂的系统。神经系统损伤会导致神经横断、血神经屏障破坏，最终引起疼痛、感觉功能障碍以及严重的身心痛苦。神经系统疾病的药物研究进展，显然受到缺乏适当模型的阻碍。已提出的大多数有前景的治疗策略都依赖于动物模型研究，但动物模型很难准确描述人类特有的神经发育过程。虽然神经元的二维（2D）培养被广泛用于研究神经元的生长、分化、网络形成和疾病机制，但它无法再现体内神经系统的复杂性。

在这项研究中，团队开发了一种基于ATPE系统的神经元特异性微孔形成生物墨水，该墨水由明胶甲基丙烯酰（GelMA）溶液和葡聚糖溶液组成，然后通过充满细胞的三维数字光处理（DLP）生物打印技术，使生物打印构建体具有分层孔隙。团队研究了不同孔隙结构的水凝胶对海马神经细胞（HT22）的增殖、扩展和功能的适用性。此外，团队还基于HT22光固化三维生物打印模型开发了一个包含星形胶质细胞和小胶质细胞的中枢神经系统（CNS）模型，并探索了其在炎症条件下的功能状态。同时，团队提出了一种结合PC12和RSC96细胞制造髓鞘化周围神经组织的三维周围神经系统（PNS）模型的方法。总之，团队成功地在体外构建了神经系统疾病模型，这将为研究神经系统疾病和筛选新药提供一种新策略。

图形摘要

DLP生物打印中枢神经系统模型模拟体外中枢神经炎症

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神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞之间的相互作用，严重影响着中枢神经系统对损伤的神经炎症反应。目前的神经炎症细胞培养模型通常由单个细胞类型的培养物组成，并将一种细胞类型的条件培养基转移到另一种细胞类型的培养物中。活化BV-2小胶质细胞组炎症生物标志物的mRNA表达与对照组明显一致，IL-6的表达甚至低于对照组。神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞之间的相互作用，有效地调节了炎症细胞因子的表达。

 体外中枢神经系统模型的形成

神经芯片模拟体外PNS模型

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PC12细胞系来源于大鼠嗜铬细胞瘤，这是一种由肾上腺髓质嗜铬细胞产生的肿瘤。PC12细胞已被广泛用于体外神经元模型，以研究神经元的增殖、分化和细胞活力。在中间桥中，PC12细胞和RSC96细胞相互作用形成细胞连接，并生成密集的神经网络，两类细胞紧密相连，形成具有一定厚度的桥状结构。在没有外界刺激的情况下，两种细胞会自发地相互影响，形成类似外周神经的结构，从而更好地模拟外周神经的功能。

基于体外神经芯片的体外PNS模型形成分析

总结

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1. 细胞生长与增殖：使用Gel/Dex水凝胶构建体培养的HT22细胞显示出更好的增殖和伸展，尤其是在7% w/v GelMA和2% w/v右旋糖酐的构建物中，这表明低浓度的GelMA更有利于细胞生长。

2. 细胞活性与功能：活/死染色和定量分析显示，三维生物打印构建体中的HT22细胞具有高存活率，且Gel/Dex水凝胶构建体中的HT22细胞增殖能力更强。

3. 神经元形态扩展与功能形成：Gel/Dex水凝胶构建体中的HT22细胞表现出更大的延伸面积，能够在空间形成三维神经网络，这对于神经元形态扩展和功能形成是有利的。

4. 中枢神经系统模型的模拟：团队使用DLP生物打印技术成功构建了中枢神经系统模型，模拟了体外中枢神经炎症，研究了神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞之间的相互作用。

5. 外周神经系统模型的模拟：通过使用PC12细胞和RSC96细胞，团队模拟了外周神经系统（PNS）模型，观察了细胞之间的相互连接和相互作用过程。

6. 糖尿病神经病变研究：研究还探讨了高血糖和高胆固醇条件下的神经细胞损伤机制，发现这些条件可能通过不同的机制影响神经细胞的增殖、功能和轴突的完整性。

7. 疾病模型构建与药物筛选：这项研究提供了一种新的平台，用于构建中枢和外周神经系统的体外模型，以研究病理过程和机制，以及进行高通量药物筛选和测试。

参考资料：

1.Cadena, M. ∙ Ning, L. ∙ King, A. ...

3D Bioprinting of Neural Tissues

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2.Baillieul, S. ∙ Chacaroun, S. ∙ Doutreleau, S. ...

Hypoxic conditioning and the central nervous system: A new therapeutic opportunity for brain and spinal cord injuries?

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