科學家用 iPS 細胞打造出 3D 大腦神經網路模型,有望協助神經退化性疾病研究

作者 | 發布日期 2018 年 12 月 23 日 23:45 | 分類 生物科技 , 醫療科技 follow us in feedly

塔夫斯大學(Tufts University)研究團隊成功開發出一種 3D 大腦模型,在工程學院、醫學院、Sackler 學院及傑克遜實驗室(Jackson Laboratory)的合作下,模型不僅是模仿大腦的結構和功能特徵,甚至還可以展示「神經活動」,隨著研究持續,相信未來對神經疾病的相關認知將會更加深入。



過去科學家在 2D 模型中生長、培養腦組織細胞,但因為 2D 的限制.並無法觀察天然神經網路的複雜性,即使是成功打造的 3D 模型也都缺少一個關鍵成分──來自活人的神經元。由於神經元很少會從健康患者身上移除,同時通常被限制在患者死後才可用,這也為相關研究增添了困難性。

隨著幹細胞技術的進步,可以從皮膚在內許多部位取得的誘導性多功能幹細胞(iPSCs)也為相關大腦研究帶來了曙光。透過將 iPS 細胞轉化為神經元,並訓練它們在由絲蛋白(silk protein)和膠原蛋白製成的支架上生長,團隊成功打造出它們稱之為「大腦環境」(a model of the brain environment)的模型。

儘管過去也有其他團隊運用 iPS 細胞製作出類似大腦的類器官,但塔夫斯團隊的大腦環境因為具有多孔結構,為神經元提供了關鍵的氧合作用(oxygenation)和營養,因此可以在天然的狀態下發揮作用,同時每個 3D 培養矩陣中心的「窗戶」也讓研究人員可以視覺觀察每個細胞的生長、組織以及行為。

▲ 阿茲海默症患者的神經元(綠色)與星形膠質細胞(astrocytes, 紅色標記)一同存在於絲蛋白和膠原蛋白的打造的多孔基質(藍色)。(Source:Tufts University

論文第一作者、塔夫茨大學 Sackler 學院 William Cantley 表示,無論使用的是來自健康個體的細胞或是患者的細胞,在 3D 組織模型中的神經網路生長都是非常持續且一致的。隨著阿茲海默症、帕金森氏症和其他神經疾病患者細胞得以使用,這項突破意味著團隊現在可以研究這些疾病是如何開始、進程又是如何,以及對治療會做出何種反應。

團隊正在思考如何使模型更為複雜,同時也在研究涉及訊息傳導、學習、可塑性及退化的相互作用。研究已經刊登在《ACS 生物材料科學與工程》(生物材料科學與工程)期刊上。

(首圖來源:shutterstock)