科學(xué)家首次在不使用任何動物來源材料或添加生物涂層的情況下，成功培育出具有功能性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的類腦組織。這項發(fā)表于最新一期《先進(jìn)功能材料》的突破性進(jìn)展，為神經(jīng)藥物檢測提供了更可控、更人道的新途徑，有望減少甚至替代傳統(tǒng)依賴動物實驗的研究模式。
該技術(shù)的核心是一種由常見聚合物聚乙二醇（PEG）制成的新型支架材料。PEG以其化學(xué)惰性著稱，通常情況下，活細(xì)胞無法在其表面附著和生長，除非借助層黏連蛋白或纖維蛋白等動物來源的生物涂層。然而，這些涂層成分復(fù)雜且定義不明確，嚴(yán)重影響實驗的可重復(fù)性和可靠性。領(lǐng)導(dǎo)該研究的美國加州大學(xué)研究團(tuán)隊指出，這是現(xiàn)有腦組織平臺的一個主要缺陷。相比之下，新開發(fā)的PEG支架通過精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計，完全擺脫了對這類生物涂層的依賴。
圖片來源：AI生成
團(tuán)隊采用一種創(chuàng)新的微流控技術(shù)，讓水、乙醇和PEG溶液通過嵌套的玻璃毛細(xì)管流動。當(dāng)混合物到達(dá)外層水流時，其成分會自發(fā)分離，隨后一道閃光瞬間固化，將這種分離狀態(tài)鎖定，從而形成一個錯綜復(fù)雜、相互連通的多孔迷宮結(jié)構(gòu)。正是這種仿生的三維結(jié)構(gòu)，使得原本惰性的PEG材料被供體腦細(xì)胞識別并利用，最終構(gòu)建出具有功能性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
這種多孔結(jié)構(gòu)不僅為細(xì)胞提供了附著和生長的物理支撐，其孔隙還能高效循環(huán)氧氣和養(yǎng)分，為細(xì)胞的存活、增殖和分化提供了理想的微環(huán)境。團(tuán)隊表示，這種設(shè)計更接近真實的腦組織生物學(xué)環(huán)境，因此能更好地引導(dǎo)和控制細(xì)胞行為。一旦細(xì)胞在支架中成熟，它們便能展現(xiàn)出供體特異性的神經(jīng)活性，這意味著可直接在培養(yǎng)皿中，利用來自特定患者的細(xì)胞來模擬和研究創(chuàng)傷性腦損傷、中風(fēng)或阿爾茨海默病等神經(jīng)疾病，并直接評估針對這些疾病的藥物療效和毒性。
目前，該類腦組織模型的尺寸約為兩毫米寬，尚處于初步階段。未來，團(tuán)隊計劃擴大模型的規(guī)模，以構(gòu)建更復(fù)雜的腦區(qū)模型。同時，他們也在探索將這一技術(shù)應(yīng)用于其他器官。他們的長期愿景是開發(fā)一套相互連接的、器官級別的培養(yǎng)系統(tǒng)，以模擬人體內(nèi)不同器官之間的相互作用。
總編輯圈點
人工合成一個帶有功能性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大腦有多難？本文介紹的復(fù)雜研究經(jīng)歷或能窺豹一斑。而在該成果的基礎(chǔ)上，新型腦組織平臺開始逐漸完善，最終能像真正的大腦一樣，展示良好的穩(wěn)定性、長壽命和功能性。再將這樣的系統(tǒng)“互聯(lián)”成人體組織，科學(xué)家將能觀察一種治療對不同組織的影響，以及一個器官的病變?nèi)绾尾傲硪粋€器官，從而為更全面、更深入地理解人類生物學(xué)和疾病機制。
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