人脑类器官在模拟脑发育和疾病研究中有着广泛的应用潜力，特别是对于神经疾病和药物筛选。然而，类器官的应用面临着一个重大挑战，即类器官内部核心区域的氧气和营养供给不足，导致类器官中心区域的坏死，限制了类器官的尺寸和成熟度。由于缺乏血管，类器官难以在长期培养中获得足够的营养供应，从而影响其应用。
为了克服这一问题，过去的研究尝试了多种方法来增强类器官的营养供给。微流控技术被用于控制类器官培养中的动态流动，但这一方法在高通量生产和真实三维培养环境方面受到了限制。另一种方法是将血管细胞与脑类器官共培养，以模拟神经细胞与血管细胞之间的相互作用。然而，完整的血管腔结构尚未在血管化类器官中被观察到。此外，血管细胞与类器官无法在整个分化过程中共享相同的培养基，这也限制了血管化类器官的一致生成。
近日，东南大学附属中大医院神经内科刘妍团队在ASC NANO杂志发表了题为Artificial Meshed Vessel-Induced Dimensional Breaking Growth of Human Brain Organoids and Multiregional Assembloids的研究论文。在本研究中，作者采用双光子聚合（TPP）3D打印技术，制作了带有密集微孔的人工网状血管，与脑类器官共同培养，旨在增强类器官的营养供应。通过这些人工血管，类器官得以突破尺寸限制，展现出增强的增殖能力、减少的缺氧和凋亡现象。这些结果表明，3D打印血管能够在一定程度上模拟血管功能，促进类器官的发育与生长。

文献来源
打开网易新闻 查看精彩图片
文献来源

图示描述：
1)研究的整体概念图，概述了3D打印血管在脑类器官培养中的作用：该图强调了类器官在长期培养中由于营养供应不足，核心区域容易发生坏死的过程。为了改善这一问题，研究人员通过3D打印技术制造了网状血管，将其与类器官共培养，实验显示这显著增强了类器官的增殖和生长，减少了坏死的发生。

图1 研究模式图
打开网易新闻 查看精彩图片
图1 研究模式图

2) 3D打印血管的设计与表征：图2a是血管的设计图，显示了3D打印血管的微观结构，血管侧壁上设计了直径为20微米的微孔，模拟了人类大脑中的微血管结构。图2c至2f展示了这些血管的明场和电子显微镜下的成像，验证了打印出来的血管与设计的一致性。该图展示了血管材料的高分辨率和精确结构，这对类器官的长期培养至关重要。

图2 3D打印容器的制备和表征
打开网易新闻 查看精彩图片
图2 3D打印容器的制备和表征

3)使用3D打印血管培养的脑类器官的生长情况：首先，图3a介绍了类器官的生成流程，并展示了不同培养条件下类器官的生长速度。实验发现，使用3D打印血管培养的类器官在60天时显著增大，表面积和复杂度也远高于对照组。图3h到3l通过免疫荧光染色分析了类器官中标志物的表达，进一步验证了3D打印血管促进了类器官的增殖和神经元的分化。

图3 3D打印血管培养的脑类器官的生长情况
打开网易新闻 查看精彩图片
图3 3D打印血管培养的脑类器官的生长情况

4)使用荧光示踪剂FITC-Dextran检测培养基在类器官中的扩散情况：图4b显示，与对照组相比，3D打印血管显著增加了培养基的扩散，表明血管化类器官的内部获得了更好的营养供应。图4d到4g通过分析缺氧探针Hypoxyprobe-1的荧光强度，证实了3D打印血管减少了类器官内部的缺氧现象。

图4 长期培养3D打印血管化类器官的生物学特性
打开网易新闻 查看精彩图片
图4 长期培养3D打印血管化类器官的生物学特性

5)长时间培养的血管化类器官中钙信号的增强情况：首先，图5a通过钙成像技术评估了类器官中钙信号的变化。实验发现，血管化类器官的钙信号峰值显著高于对照组，表明类器官中神经元的成熟度有所提高。接着，图5d到5j通过全细胞膜片钳记录了类器官中的动作电位和钠钾电流，结果显示，血管化类器官中的动作电位幅值更大，钠电流增加，钾电流减少，进一步验证了其电活动的增强。

图5 在长期培养的3D打印血管化类器官中，星形胶质细胞增加，钙信
打开网易新闻 查看精彩图片
图5 在长期培养的3D打印血管化类器官中，星形胶质细胞增加，钙信

6)在多区域类器官融合模型中的细胞迁移和神经投射情况：首先，图6a展示了类器官的多区域融合过程，3D打印血管作为支架，引导皮层、纹状体和MGE区域的类器官进行融合。图6g和6h的免疫荧光染色结果显示，MGE区域的细胞向纹状体和皮层的迁移显著增强，神经元的投射也比对照组更加明显。

图6 在多区域类器官融合模型中的细胞迁移和神经投射情况
打开网易新闻 查看精彩图片
图6 在多区域类器官融合模型中的细胞迁移和神经投射情况

7)不同区域类器官的神经连接与功能分析：首先，图7a展示了通过标记皮层类器官（hCOs）的增强绿色荧光蛋白（GFP）信号，研究人员观察到皮层类器官中的神经元投射至其他脑区域。其次，图7b至7d展示了脑区域的融合情况以及通过3D打印网状血管增强的细胞迁移和神经投射。图7g和7h进一步分析了中间神经嵴（MGE）区域的细胞迁移情况，研究发现这些细胞通过血管化模型，向其他脑区域的迁移显著增强。通过统计分析，血管化类器官模型中的细胞迁移和神经元投射均显著高于非血管化对照组。

图7 促进兴奋性信号转导在不同的脑区血管化的集合
打开网易新闻 查看精彩图片
图7 促进兴奋性信号转导在不同的脑区血管化的集合

全文总结：该研究展示了使用TPP-3D打印。此外，3D打印的网状血管与脑类器官长期共培养具有生物相容性。血管化的类器官表现为尺寸断裂生长，增殖增加，缺氧减轻，细胞凋亡减少。此外，生成血管化的皮质纹状体-MGE三个脑区组合具有预定义的空间排列。该研究为复杂的脑类器官和组装体的工程提供了一个先进的途径，为研究大脑发育、神经系统疾病和药物筛选提供了一个平台。

参考文献：Xu, Lei et al. “Artificial Meshed Vessel-Induced Dimensional Breaking Growth of Human Brain Organoids and Multiregional Assembloids.” ACS nano, 10.1021/acsnano.4c07844. 13 Sep. 2024, doi:10.1021/acsnano.4c07844

版权声明：标注‘原创’仅代表原创编译，本平台不主张对原文的版权。本平台转载仅仅是出于学术交流和传播信息的需要，并不意味着代表本平台观点或证实其内容的真实性；转载文章版权归原作者所有，作者如果不希望被转载或有侵权行为，请联系本平台删除。