Достижение большего понимания человеческого мозга является чем-то, за что исследователи долго боролись, но сочли трудными учитывая сложность органа и проблемы в изучении ее физиологии у живого организма. Теперь, исследователи из Университета Тафтса в Медфорде, Массачусетс, создали 3D модель ткани, которая может подражать функциям мозга.
Это изображение микроскопа показывает нейроны (желтые) приложенный к основанным на шелке (синим) лесам.Кредит изображения: Университет ТафтсаИсследовательская группа, включая ведущего автора Дэвида Кэплана, доктор философии, Строгий Семейный преподаватель и председатель биомедицинской техники в Школе Пучков Разработки, говорит, что модель прокладывает путь к новым исследованиям в функцию мозга, рану и болезнь и лечение.
Они недавно издали свои результаты исследования в Продолжениях Национальной академии наук (PNAS).Чтобы изучить функцию мозговых нейронов, исследователи в настоящее время выращивают их в чашках Петри.
Но осложненная структура мозговой ткани – который составлен из отдельных областей серого и белого вещества – не может быть дублирована с этими 2D нейронами.Серое вещество в основном состоит из клеточных тел нейрона, и белое вещество состоит из связок нервных волокон или аксонов.
Эти аксоны ответственны за передачу сигналов между нейронами.Когда мозг подвергается повреждению или болезни, серое и белое вещество затронуты по-разному, означая, что существует потребность в моделях мозговой ткани, позволяющих каждой из этих областей быть изученной отдельно.«Существует немного хороших возможностей для изучения физиологии живущего мозга, все же это – возможно, одна из самых больших областей невстреченной клинической потребности, когда Вы рассматриваете потребность в новых вариантах понять и лечить широкий спектр неврологических расстройств, связанных с мозгом», говорит Кэплан.
Ученые недавно попытались создать функциональную мозговую ткань путем роста нейронов в 3D коллагене среды только для геля, но без успеха. Такие модели умерли быстро и не произвели достаточно сильную функцию уровня ткани.Но команда Пучков нашла способ создать функциональную 3D подобную мозгу ткань, не только включающую отдельные области серого и белого вещества, но и это может также жить больше 9 недель.
Как 3D подобная мозгу ткань была создана?Во-первых, Kaplan и коллеги объединили два биоматериала: шелковый белок и основанный на коллагене гель.
Шелковый белок действовал как губчатые леса, к которым были свойственны нейроны, в то время как гель поощрил рост нервного волокна.Эта диаграмма показывает пончик лесов и различные области серого и белого вещества.Кредит изображения: Национальный Институт Биомедицинского Отображения и Биоинженерии
Исследователи тогда разрезают губчатые леса в форму пончика и колонизировали его с крысиными нейронами, прежде, чем заполнить середину пончика с основанным на коллагене гелем, пропитавшим целые леса.Команда нашла, что нейроны создали функциональные сети вокруг выходов лесов только за несколько дней, и нервные волокна прошли через гель посреди пончика, чтобы соединиться с нейронами с другой стороны.
Это созданное отдельное серое и белое вещество области.Исследователи тогда провели ряд экспериментов на 3D подобной мозгу ткани, чтобы проверить здоровье и функцию его нейронов, и сравнить их с нейронами, выращенными с помощью существующего 2D метода или в среде только для геля.Kaplan и коллеги сочли более высокую экспрессию генов вовлеченной в рост нейрона и функцию в 3D подобной мозгу ткани.Нейроны, выращенные в подобной 3-му мозговой ткани, продемонстрировали стабильную метаболическую активность в течение почти 5 недель, в то время как такая активность в нейронах, выращенных в среде только для геля, начала исчезать в течение 24 часов.
Кроме того, электрическая активность и реактивность, подобная найденному в интактном мозгу, были замечены в 3D подобных мозгу нейронах ткани.Комментируя это создание, Розмари Хунзикер, доктора философии, директор программы по разработке ткани в Национальном Институте Биомедицинского Отображения и Биоинженерии, финансировавшей исследование, заявляет:«Эта работа является исключительным подвигом. Это объединяет глубокое понимание мозговой физиологии с большим и растущим комплектом инструментов биоинженерии, чтобы создать среду, которая и необходима и достаточна подражать функции мозга».
Модель могла улучшить исследования функции мозга, раны и болезниПоскольку 3D подобная мозгу ткань казалась функциональной, команда хотела видеть, могла ли бы их модель быть полезна для изучения травматического повреждения головного мозга (TBI).Они моделировали TBI путем понижения весов на модель от различных высот.
Они нашли, что химическая и электрическая активность в нейронах ткани изменилась после TBI, который говорят исследователи, подобно наблюдениям, сообщил в исследованиях на животных TBI.Согласно Kaplan, это обнаружение показывает, что 3D подобная мозгу модель ткани могла обеспечить более эффективный способ изучить травму головного мозга.«С системой мы имеем, Вы можете по существу отследить реакцию ткани на травматическое повреждение головного мозга в режиме реального времени», объясняет он. «Самое главное Вы можете также начать отслеживать репарацию и что происходит за более длительные промежутки времени».Но преимущества этой модели не останавливаются там.
Кэплан отмечает, что подобная мозгу ткань осталась в живых больше 2 месяцев, означая, что она могла позволить исследователям получать лучшее понимание множества заболеваний мозга:«Факт, что мы можем поддержать эту ткань в течение многих месяцев в средствах лаборатории, мы можем начать смотреть на неврологические болезни способами, которыми Вы не можете иначе, потому что Вам нужны длинные периоды, чтобы изучить некоторые ключевые болезни мозга».«Хорошие модели позволяют твердые гипотезы, которые могут быть полностью проверены. Надежда состоит в том, что использование этой модели могло привести к акселерации методов лечения для дисфункции мозга, а также предложить лучший способ изучить нормальную мозговую физиологию», добавляет Хунзикер.Исследователи говорят, что теперь планируют щипнуть модель, чтобы сделать его еще более подобным мозгу.
Они уже нашли, что могут приспособить леса пончика, чтобы включить шесть колец, каждое из которых может быть колонизировано с различными нейронами. Это, команда заявляет, моделировало бы шесть слоев коры человеческого мозга.
В прошлом году, сообщаемый относительно исследования, изданного в журнале Nature, показывая, как ученые успешно вырастили «минимозги» от стволовых клеток.