バイオプリントハイドロゲル構造における 3D 機能ニューロンネットワーク

寄稿者: 白路歌、王玲寄稿部署: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室出典: 中国機械工学会付加製造技術 (3D 印刷) 支部

現在一般的に使用されている 2D 神経細胞培養と比較して、3D 神経組織培養には多数の物理的および化学的手がかりが含まれており、正常および病理学的条件下での神経シグナル伝達と神経ネットワーク機能の研究に、より効果的なモデルを提供します。多数の研究でバイオプリンティング法が使用され、in vitro で 3D 神経組織が製造されていますが、これらの研究のほとんどは金型支援成形を使用しており、神経組織に適した汎用バイオインクとバイオプリンティング法がないため、高い時空間制御性を備えた神経ネットワーク構造を製造することは困難です。

この問題を解決するために、オーストラリアのモナッシュ大学のヘレナ・C・パーキントン氏のチームは、低濃度のゼラチン-ノルボルネン-ポリ(エチレングリコール)-ジチオールバイオインクを開発し、ラットの一次皮質ニューロンとアストロサイトを使用して、灰白質と白質を含む脳のような3次元神経構造をバイオプリントし、そのネットワーク形成と機能を研究しました。

図1に示すように、研究者らは細胞を含むバイオインクを使用して「細胞鎖」（緑）を印刷して脳の灰白質をシミュレートし、細胞を含まないインクを使用して「脱細胞化鎖」（灰色）を印刷して脳の白質をシミュレートし、「細胞鎖」と「非細胞鎖」を交互に印刷して脳の階層構造をシミュレートし、2つの交互構造A（図1A）とB（図1B）を設計しました。培養7日後、「細胞鎖」内の神経細胞体は、ニューロンが豊富な脳の灰白質に似た大きな球状の塊を形成しました。一方、「脱細胞鎖」には細胞体は含まれていませんでしたが、神経突起が豊富な脳の白質を模倣した多数の神経突起が含まれていました。そして、各「細胞鎖」は、「脱細胞鎖」全体にシナプス接続を確立することで、広範な神経ネットワークを形成しました。結果は、「細胞鎖」間の軸索の成長パターンが、「細胞鎖」と「無細胞鎖」の近接性と相対的な配置によって影響を受ける可能性があることを示しました。構造 A では、神経突起は抵抗の少ない経路を選択し、つまり「無細胞鎖」の表面に沿って優先的に成長します。構造 B では、神経突起は最短経路を選択し、つまり「無細胞鎖」の中央領域を介して接続します。

図1 バイオプリントされた皮質構造の設計と培養7日後の免疫蛍光染色画像。 (スケールバー: 100 μm) 研究者らは、カルシウムイメージングと電気信号記録を通じて、印刷された神経ネットワークの機能をさらに調査しました。細胞カルシウムイメージングでは、体外培養の 14 日後 (図 2A、C) と 21 日後 (図 2B、D) に、神経組織がリズミカルで準同期的な自発的なカルシウム振動を示したことが示されました。電気信号の結果は、1 つの「細胞鎖」内のニューロンが電気的に刺激されると、別の離れた「細胞鎖」内のニューロンが対応する電気活動を生成することを示しました (図 3)。これらの結果は、構築された in vitro 神経ネットワーク内の神経細胞群間に「無細胞鎖」空間にわたる機能的接続が形成されることを示しています。

図 2 体外培養 14 日目と 21 日目後の細胞のカルシウムイメージング結果図 3 体外培養 12 日目後の電気刺激を受けた「細胞鎖」の機能的電気生理学。 (スケールバー: 200 μm) 要約すると、この研究では、高解像度かつ高スループットで複雑な構造を持つ柔らかく独立した神経構造を製造し、自発的で刺激に反応する機能的な 3D ニューロンネットワークを形成できるバイオプリンティング法を報告しています。バイオプリンティングがニューロンネットワークの形成とニューロンの機能にどのように影響するかを調査し、ニューラルネットワークの基本的な問題を理解し、ニューロモルフィック回路を設計し、in vitro 薬物スクリーニングを行うための潜在的なプラットフォームを提供します。

参考文献:
Yao Y、Coleman HA、Meagher L、et al. 自立型バイオプリントハイドロゲル構造における3D機能ニューロンネットワーク[J]。Advanced Healthcare Materials、2023：2300801。

バイオプリントハイドロゲル構造における 3D 機能ニューロンネットワーク

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