惊人!科学家利用3D打印生物反应器培育出大脑类器官,可实时研究其生长发育

Evelyn Zhang

现在,用一种比一杯咖啡稍贵一点的设备,就可以种植和培养人类脑组织。有了一种5美元的可清洗、可重复使用的微芯片,科学家们可以在显微镜下实时观察自组织的大脑样本,也就是所谓的大脑器官。

这种被称为“微流控生物反应器”的设备是一个4×6厘米的芯片,其中包括一些大脑类器官生长的小孔。每一个都充满了富含营养的液体,可以自动地进出,就像冲洗人类大脑的液体一样。

利用这个系统,来自印度马德拉斯理工学院的Ikram Khan和他在麻省理工学院(MIT)的同事们,报告了一个大脑器官在7天内的生长。Khan说,这表明脑细胞可以在芯片内茁壮成长。

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更有意义的是——理论上,在实验室中培养脑组织可以让科学家测试不同病人的大脑对不同药物的反应。

培育大脑类有机物的设备已经存在,但由于培养皿是封闭的,以避免空气中微生物的污染,所以不可能添加氨基酸、维生素、盐和葡萄糖等营养物质,也不可能清除细胞产生的废物。因此,这些细胞通常会在几天内死亡。

为了解决这个问题,研究人员之前已经添加了一些细小的管道来向脑组织输送营养物质。但是这些设备的不透明设计使人们无法观察培养皿内发生的事情——这是一个重大的问题,尤其是如果科学家想知道组织对药物的反应。

因此,Khan和他的同事们设计了一种新的、更简单的设备,它将一个生长平台、微型管道、药物注射通道,甚至一个液体加热室都整合到一个芯片上,可以使用牙科手术中常用的生物兼容树脂来进行3D打印。生物反应器通过封闭培养箱中的管道控制补充液体和废物提取的流动,同时提供充分的可视性。

整体来看,研究人员们开发一种微流控芯片和生物反应器的设计,以实现在芯片上对大脑类器官的原位跟踪和成像。

为了测试他们的系统,研究人员将人类大脑分化的干细胞放入井中,并对流经芯片的流体进行编程。利用平台上方的显微镜,他们可以观察到脑组织在整整一周内的发育——基本上是直到类器官的小孔空间耗尽为止。

在这段时间里,他们看到这些细胞繁殖并形成了一个类似脑室的结构,类似于真实大脑中的空腔,麻省理工学院的Chloé Delépine 表示。脑室被类似于新皮层的组织包围,新皮层是负责思维、推理和语言理解等高阶功能的大脑层。

Delépine说,以前人类大脑类器官已经在实验室中达到了这样的发展水平,但这标志着第一次在一种设备中发生,这种设备可以很好地观察组织,而且价格低廉。

Khan表示:“我的目标是让全世界需要使用这项技术满足医疗需求的人都用上这项技术。”为了实现这一目标,他在印度创办了一家初创公司。

在这项工作中,他们开发了一种低成本的微流控生物反应器,设计用于支持单个芯片上的成像和培养,并使用基于3D打印的立体蚀刻技术制造。

上述研究成果发表在美国物理联合会杂志《生物微流体》(Biomicrofluidics)上,题为《一种低成本的3D打印微流控生物反应器和成像室,用于活体有机物成像》(A low-cost 3D printed microfluidic bioreactor and imaging chamber for live-organoid imaging)。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源:https://www.newscientist.com/article/2273694-human-brain-organoids-grown-in-cheap-3d-printed-bioreactor/#ixzz6rOrzyQZE

论文链接:DOI: 10.1063/5.0041027

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