3D-печатные наностолбики имитируют среду мозга для стимуляции роста нейронов
Исследователи из Делфтского технического университета (TU Delft, Нидерланды) создали с помощью 3D-печати среду, в которой нейроны растут и формируют сети, как в реальном мозге. Работа опубликована в журнале Advanced Functional Materials.
Имитация мягкой мозговой ткани
Нейроны чувствительны к жесткости и геометрии своего окружения. Традиционные чашки Петри плоские и жесткие, в отличие от мягкой, волокнистой внеклеточной матрицы мозга. Чтобы воспроизвести эти свойства, команда доцента Анджело Аккардо использовала двухфотонную полимеризацию — метод 3D-печати с наноразмерной точностью — для создания массивов наностолбиков.
Каждый столбик в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Меняя соотношение ширины и высоты столбиков, ученые регулировали их эффективный модуль сдвига — механическое свойство, которое ощущают клетки, перемещаясь по таким массивам.
«Это заставляет нейроны "думать", что они находятся в мягкой, похожей на мозг среде, хотя материал самих наностолбиков жесткий. Изгибаясь под весом нейронов, столбики не только имитируют мягкость ткани мозга, но и предоставляют трехмерную наноструктуру, за которую нейроны могут цепляться, подобно нановолокнам внеклеточного матрикса», — объясняет Аккардо. Это влияет на рост нейронов и формирование связей.
От хаотичного роста к упорядоченным сетям
Исследователи вырастили три типа нейрональных клеток (из ткани мозга мыши и из человеческих стволовых клеток) на массивах наностолбиков. На плоских поверхностях нейроны росли в случайных направлениях. Но на 3D-печатных массивах все три типа клеток формировали более организованные сети под определенными углами.
Исследование также выявило изменения в ростовых конусах нейронов — «руководящих» структурах на кончиках растущих отростков. На плоских поверхностях они оставались плоскими. На массивах наностолбиков ростковые конусы выпускали длинные, похожие на пальцы выступы, исследуя окружение во всех направлениях — не только в плоскости, но и в 3D-пространстве, как в реальном мозге.
Кроме того, среда наностолбиков способствовала созреванию нейронов. Нейральные клетки-предшественники, выращенные на столбиках, демонстрировали более высокий уровень маркера зрелых нейронов по сравнению с клетками на плоских поверхностях.
Инструмент для изучения болезней мозга
Почему бы просто не выращивать нейроны на мягких гелях? Проблема в том, что гели (например, коллаген или Matrigel) часто имеют высокую вариабельность от партии к партии и лишены рационально спроектированной геометрии.
«Модель с массивами наностолбиков предлагает лучшее из двух миров: она ведет себя как мягкая среда с нанометрическими особенностями и обладает чрезвычайно высокой воспроизводимостью благодаря разрешению двухфотонной полимеризации», — говорит Аккардо.
Более точно воспроизводя рост и соединение нейронов, эта модель может дать новое понимание различий между здоровыми нейронными сетями и сетями, связанными с неврологическими расстройствами, такими как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и расстройства аутистического спектра.