Интегрированная платформа создаёт слоистые нейронные структуры, подобные мозгу, с помощью 3D-печати
Существующая технология трёхмерного (3D) культивирования нейронов имеет ограничения в исследованиях мозга из-за сложности точного воспроизведения его сложной многослойной структуры и отсутствия платформы для одновременного анализа структуры и функции. Исследовательская группа KAIST разработала интегрированную платформу, которая может создавать слоистые нейронные структуры, подобные мозгу, с помощью 3D-печати и точно измерять нейронную активность внутри них.
Совместная группа под руководством профессоров Чже-Кюн Пак и Юнки Нам из Департамента био- и мозговой инженерии KAIST разработала платформу, способную создавать высокоразрешающие 3D-многослойные нейронные сети с использованием низковязких натуральных гидрогелей, механические свойства которых схожи с тканью мозга, и одновременно анализировать их структурную и функциональную связность. Исследование опубликовано в Biosensors and Bioelectronics.
Обычная биопечать использует высоковязкие биочернила для структурной стабильности, но это ограничивает пролиферацию нейронов и рост нейритов. С другой стороны, нейрон-дружественные низковязкие гидрогели сложно точно структурировать, что создаёт фундаментальный компромисс между структурной стабильностью и биологической функцией.
Команда создала сложную и стабильную платформу, имитирующую мозг, объединив три ключевые технологии, которые позволяют:
- Точно создавать структуру мозга с разбавленными гелями с помощью эффекта капиллярного закрепления. Этот метод заставляет разбавленный гидрогель прочно прилипать к стальной микросетке, предотвращая его растекание, и воспроизводит структуры мозга с шестикратно большей точностью (разрешение 500 мкм или менее), чем обычные методы.
- Точно выравнивать слои с помощью 3D-печатного выравнивателя цилиндрической конструкции, который гарантирует точную укладку слоев без смещения и стабильную интеграцию с микроэлектродными чипами.
- Одновременно наблюдать за активностью с помощью технологии системы двойного анализа. Она измеряет электрические сигналы снизу (микроэлектродный чип) и наблюдает за активностью клеток с помощью света (кальциевая визуализация) сверху, позволяя проверять функциональные связи между слоями несколькими методами.
Исследователи успешно создали трёхслойную мини-мозговую структуру с помощью 3D-печати фибринового гидрогеля, эластичные свойства которого схожи со свойствами мозга, и экспериментально подтвердили процесс передачи и приёма сигналов реальными нейронами внутри неё.
Кортикальные нейроны размещали в верхнем и нижнем слоях, в то время как средний слой оставляли пустым, но спроектированным так, чтобы нейроны могли проникать через него и соединяться. Результаты показали, что при электрической стимуляции нейроны в обоих слоях реагировали одновременно. При введении блокатора синапсов ответ уменьшался, что доказывало наличие настоящей функциональной связи между клетками.
Профессор Пак пояснил: «Эта платформа позволяет одновременно воспроизводить сложную многослойную структуру и функцию мозговой ткани. По сравнению с существующими технологиями, где измерение сигналов было невозможно более 14 дней, наша платформа сохраняет стабильный интерфейс микроэлектродного чипа более 27 дней, позволяя анализировать взаимосвязь структуры и функции в реальном времени. В будущем её можно использовать в различных областях исследований мозга, таких как моделирование неврологических заболеваний, изучение функций мозга, оценка нейротоксичности и скрининг нейропротекторных препаратов».