Czy mózg wydrukowany metodą 3D pomoże w naprawie fizycznych uszkodzeń tego organu?

Uszkodzenia mózgu, spowodowane na przykład urazem, udarem lub będące skutkiem ubocznym operacyjnego usunięcia guza mózgu zwykle skutkują znacznym uszkodzeniem kory mózgowej (zewnętrznej warstwy mózgu). Prowadzi to do trudności w funkcjonowaniu poznawczym, poruszaniu się i komunikacji. Urazowe uszkodzenie mózgu (po angielsku: traumatic brain injury, TBI), zwane także urazem wewnątrzczaszkowym to uszkodzenie mózgu, do którego dochodzi na skutek działania zewnętrznej siły. Każdego roku TBI doznaje na świecie około 70 milionów ludzi, z czego 5 milionów to przypadki ciężkie lub śmiertelne. Jak dotąd nie ma skutecznych metod leczenia poważnych uszkodzeń mózgu znacznie obniżających jakość życia.

Terapie regenerujące tkanki, zwłaszcza te, w których pacjentom wszczepia się implanty pochodzące z ich własnych komórek macierzystych, mogą w przyszłości okazać się obiecującą metodą leczenia urazów mózgu. Jednak dotychczas nie opracowano metody gwarantującej, że wszczepione komórki macierzyste będą naśladowały architekturę mózgu.

Dzięki technice opracowanej przez naukowców z Oxford University być może w przyszłości uda się „naprawiać” mózgi osób po urazach. Brytyjscy naukowcy po raz pierwszy wykazali, że komórki nerwowe można wydrukować dwuwarstwowo za pomocą drukarki 3D, aby naśladować architekturę kory mózgowej. Strukturę korową utworzono z indukowanych ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych (hiPSC), które mają potencjał do wytwarzania typów komórek występujących w większości tkanek ludzkich. Dużą zaletą stosowania hiPSC do naprawy tkanek jest to, że można je łatwo uzyskać z komórek pobranych od samych pacjentów, a zatem nie wywołałyby odpowiedzi immunologicznej.

Komórki hiPSC różnicowano w neuronalne komórki progenitorowe dla dwóch różnych warstw kory mózgowej, stosując specyficzne kombinacje czynników wzrostu i substancji chemicznych. Następnie komórki zostały zawieszone w roztworze w celu wytworzenia dwóch „biotuszy”, których użyto do druku - w celu uzyskania dwuwarstwowej struktury. Po wszczepieniu do skrawków mózgu myszy, drukowane fragmenty zintegrowały się strukturalnie i funkcjonalnie z tkanką gospodarza. Drukowane tkanki zachowywały w hodowli swoją warstwową architekturę przez całe tygodnie, na co wskazuje ekspresja biomarkerów specyficznych dla warstw. Komórki ludzkie i mysie komunikowały się ze sobą, wykazując integrację funkcjonalną i strukturalną. Zdaniem autorów technikę tę można będzie ostatecznie przekształcić w dostosowane do indywidualnych potrzeb metody leczenia urazów mózgu.

„Ten postęp stanowi znaczący krok w kierunku wytworzenia materiałów o pełnej strukturze i funkcji naturalnych tkanek mózgowych. Prace zapewnią niepowtarzalną okazję do zbadania działania kory ludzkiej i w dłuższej perspektywie dadzą nadzieję osobom, które doznały urazów mózgu” - powiedział główny autor, dr Yongcheng Jin (Wydział Chemii, University of Oxford).

Naukowcy zamierzają teraz udoskonalić technikę druku kropelkowego, aby stworzyć złożone, wielowarstwowe tkanki kory mózgowej, które bardziej realistycznie naśladują architekturę ludzkiego mózgu. Oprócz ich potencjału w zakresie naprawy uszkodzeń mózgu, te zmodyfikowane tkanki mogą zostać wykorzystane w ocenie leków i badaniach rozwoju mózgu. Starszy autor, profesor Zoltán Molnár (Wydział Fizjologii, Anatomii i Genetyki) powiedział: „Rozwój ludzkiego mózgu to delikatny i wyrafinowany proces ze zdefiniowaną choreografią. Naiwnością byłoby sądzić, że możemy go w całości odtworzyć w laboratorium. Jednak nasz projekt dotyczący druku 3D wskazuje na znaczący postęp w kontrolowaniu losów i rozmieszczenia ludzkich iPSC w celu utworzenia podstawowych jednostek funkcjonalnych kory mózgowej".

Więcej w publikacji źródłowej https://www.nature.com/articles/s41467-023-41356-w