代爾夫特理工大學3D 打印“類腦環(huán)境”，為治療神經疾病提供新工具

2025年2月1日，南極熊獲悉，來自代爾夫特理工大學 (TU Delft) 的研究人員開發(fā)了一種 3D 打印的“類腦環(huán)境”，其中神經元的生長方式與真實大腦相似。他們使用微小的納米柱模擬軟神經組織和大腦的細胞外基質纖維。打印模型為神經元如何形成網絡提供了新的見解，同時也為未來了解這一過程在阿爾茨海默病、帕金森病和自閉癥譜系障礙等神經系統(tǒng)疾病中可能如何變化提供了一種新工具。

相關研究以題為“Deciphering the Influence of Effective Shear Modulus on Neuronal Network Directionality and Growth Cones’ Morphology via Laser-Assisted 3D-Printed Nanostructured Arrays”的論文發(fā)表在《先進功能材料》雜志上并成為其封面文章，揭示了對神經元生長錐的新見解。

論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202409451

神經元與身體中的許多細胞一樣，對周圍環(huán)境的硬度和幾何形狀有反應。傳統(tǒng)的培養(yǎng)皿是扁平而堅硬的，與大腦柔軟的纖維狀細胞外基質環(huán)境不同。為了模擬這種環(huán)境的幾何和機械特性，代爾夫特理工大學副教授 Angelo Accardo 的團隊利用雙光子聚合設計了納米柱陣列。

納米柱陣列的制造和特性。A) 陣列參數的示意圖。B) 納米柱“條帶”的 3D 渲染。C) 不同高度的納米柱陣列的 SEM 圖像：i) 基座、ii)0.6 µm、iii) 1 µm、iv) 2.3 µm、v) 3.3 µm 和 vi) 5 µm)。比例尺對應于 5 µm。D) 納米柱條帶的 SEM 圖像（此圖中面積為 30 × 30 µm 2）。比例尺對應于 15 µm。E) 測量的柱間間隙和直徑（以 µm 為單位）。平均值和標準偏差基于n = 50 個納米柱的測量值。F) 與不同納米柱陣列高度（以 µm 為單位）相關的有效剪切模量（以 MPa 為單位）。

這些納米柱的每一根都比人的頭發(fā)細一千倍，像微型森林一樣排列在表面上。通過改變納米柱的長寬比，研究人員調整了它們的有效剪切模量，即細胞在納米結構陣列上爬行時能夠感知到的機械特性。阿卡多說：“這會讓神經元‘認為’它們處于一個柔軟的、類似大腦的環(huán)境中，盡管納米柱的材料本身是堅硬的。在神經元爬行時，納米柱不僅會模擬腦組織的柔軟度，還會提供神經元可以抓住的 3D 納米結構，就像真實腦組織中的細胞外基質納米纖維一樣。”這會影響神經元的生長和連接方式。

有序網絡

為了測試該模型，研究人員在納米柱上培養(yǎng)了三種不同類型的神經元細胞——它們來自小鼠腦組織或人類干細胞。在傳統(tǒng)的平板培養(yǎng)皿和二維生物材料中，神經元以隨機方向生長。然而，在 3D 打印的納米柱陣列上，這三種細胞類型都以更有組織的模式生長——以特定角度形成網絡。

阿卡多說：“這些類似手的結構引導著正在生長的神經元尖端尋找新的連接。在平坦的表面上，生長錐會散開并保持相對平坦。但在納米柱陣列上，生長錐會發(fā)出長長的手指狀突起，探索周圍環(huán)境的各個方向——不僅沿著平面，而且在三維空間中，類似于真實大腦環(huán)境中發(fā)生的情況�！�

這項研究的第一作者喬治·弗拉莫拉基斯說：“此外，我們發(fā)現納米柱創(chuàng)造的環(huán)境似乎也促進了神經元的成熟。與在平坦表面上生長的神經祖細胞相比，在納米柱上生長的神經祖細胞顯示出更高水平的成熟神經元標志物。這表明該系統(tǒng)不僅影響生長方向，還促進神經元成熟。”

研究腦部疾病

Accardo 說道：“在凝膠等軟質材料上培養(yǎng)神經元的問題在于，膠原蛋白或 Matrigel 等凝膠基質通常存在批次間差異，且不具備合理設計的幾何特征。納米柱陣列模型兼具兩者的優(yōu)點：它表現得像一個具有納米特征的軟環(huán)境，并且由于雙光子聚合的分辨率而具有極高的可重復性。”

通過更好地復制神經元的生長和連接方式，開發(fā)的模型可以對健康大腦網絡與阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥和自閉癥譜系障礙等神經系統(tǒng)疾病相關的大腦網絡之間的差異提供新的見解。

代爾夫特理工大學的工作是機械工程學院 (PME、BmechE 和 DCSC)、應用物理學院 (ImPhys) 和 ErasmusMC 三個部門的聯合努力。此項研究得到了機械工程學院和 NWO XS 資助。