3D-печатные живые нейронные сети показывают перспективы для медицинских исследований

Исследователи из Университета Монаша в Мельбурне, Австралия, достигли значительного прорыва в области биомедицинской инженерии. Они успешно 3D-напечатали живые нейронные сети, используя клетки мозга крыс, что открывает новые возможности для тестирования лекарств и изучения функции мозга. Эта передовая технология имеет потенциал заменить традиционные методы тестирования на животных и usher in a new era of personalized medicine (ввести новую эру персонализированной медицины).

33D-печатные мини-мозги: жизнеспособная альтернатива тестированию на животных

В начале 2023 года Конгресс США принял законодательство, призывающее ученых сократить зависимость от животных в исследованиях, финансируемых из федерального бюджета. Этот шаг был предпринят после подписания Закона о модернизации Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) 2.0, который позволил исследовать высокотехнологичные альтернативы в испытаниях безопасности лекарств. Одним из самых многообещающих альтернатив является использование 3D-печатных мини-мозгов.

Эти мини-мозги потенциально могут заменить необходимость тестирования новых лекарств на тысячах животных. Исследователи из Университета Монаша сделали значительный шаг в этом направлении, 3D-напечатав живые нейронные сети, состоящие из клеток мозга крыс. Этот инновационный подход обещает более этичные и эффективные испытания лекарств.

Для создания этих 3D-печатных нейронных сетей команда Университета Монаша использовала уникальный метод. Они выдавливали «биочернила» — смесь клеток мозга крыс, взвешенных в геле, — через сопло и в каркас, подобно тому, как струйные принтеры наносят чернила на бумагу. Нейронные структуры строились слой за слоем, при этом восемь вертикальных слоев чередовались между биочернилами с клетками и без них.

Этот подход позволил точно контролировать размещение клеток поверх записывающих электродов, сохраняя при этом 3D-структуру, имитирующую сложность нормальной мозговой ткани. Нейронные сети содержали не только нейроны, но и астроциты, олигодендроциты и микроглию — важные поддерживающие клетки для здоровья и связности нейронов.

Успех 3D-печатных нейронных сетей заключается в их функциональности. Эти сети демонстрировали поведение, подобное поведению реальных нейронов, включая удлинение длинных аксонов для связи между слоями. Электрическая активность клеток записывалась с помощью микроэлектродов, а их химическая коммуникация визуализировалась с помощью флуоресцентного красителя.

Эта функциональная мимикрия реальных нейронных сетей имеет решающее значение для потенциальных биомедицинских применений, таких как открытие лекарств и изучение нейродегенеративных заболеваний. Для этих применений нейронные сети должны тесно воспроизводить поведение реальных клеток мозга.

Вызовы и будущие направления

Хотя этот прорыв многообещающ, есть еще проблемы, которые необходимо решить. Одна из критических проблем — масштабирование технологии. 3D-печатные нейронные сети, созданные в эксперименте Монаша, содержали несколько тысяч нейронов на квадратный миллиметр, тогда как в человеческом мозге миллиарды нейронов. Масштабирование точного, но медленного процесса 3D-печати для коммерческого тестирования лекарств и крупномасштабных исследований потребует дальнейшей разработки.

Кроме того, обеспечение выживания и функциональности человеческих клеток в 3D-печатных нейронных сетях является постоянной проблемой. Исследователи должны найти способы создания гелей, которые имитируют свойства мозга, позволяя при этом 3D-печать без вреда для клеток.

Несмотря на эти проблемы, потенциальные преимущества 3D-печатных живых нейронных сетей огромны. Технология имеет потенциал сократить необходимость в тестировании на животных в различных исследовательских условиях. Однако ученым может потребоваться время, чтобы принять этот инновационный подход, поскольку устоявшиеся методы и практики глубоко укоренились в научном сообществе.

Будущее персонализированной медицины также многообещающе. Больницы потенциально могут оснастить помещениями для 3D-печати, где клиницисты используют биопсии пациентов для печати тканей для тестирования лекарств, обеспечивая индивидуализированное лечение для каждого человека.