ENG: A groundbreaking achievement has emerged from the laboratories of the University of Wisconsin–Madison as scientists have successfully developed the world’s first 3D-printed brain tissue that exhibits the remarkable ability to grow and function similarly to typical human brain tissue. This remarkable advancement is poised to revolutionize the field of neuroscience and provide valuable insights for researchers working on treatments for various neurological and neurodevelopmental disorders, including Alzheimer’s and Parkinson’s diseases. Led by Su-Chun Zhang, a professor of neuroscience and neurology at UW–Madison’s Waisman Center, this novel approach to 3D printing brain tissue promises to deepen our understanding of brain cell communication, stem cell biology, and the underlying causes of neurological and psychiatric disorders.
Unlike conventional vertical layer-based 3D printing methods, the researchers took a unique horizontal approach. They placed brain cells, specifically neurons derived from induced pluripotent stem cells, within a softer “bio-ink” gel, distinct from previous attempts. This innovative technique allowed the neurons to grow and interconnect more effectively. The cells were positioned closely to each other, akin to arranging pencils side by side on a tabletop. This approach ensured that the tissue remained relatively thin, facilitating optimal oxygen and nutrient exchange for the growing neurons. As a result, the printed brain tissue demonstrated remarkable functionality, with neurons forming connections within and across layers, establishing networks akin to those found in the human brain.
What sets this 3D-printed brain tissue apart is its precision and control over the types and arrangement of cells, a level of specificity not attainable with traditional brain organoids. Su-Chun Zhang’s team can produce a wide variety of neurons and arrange them in any desired manner, providing a defined system for studying how the human brain network functions under specific conditions. This versatility allows for research applications spanning diverse areas, including investigating cellular signaling in Down syndrome, exploring interactions between healthy and Alzheimer’s-affected tissue, evaluating new drug candidates, and monitoring brain growth. By studying the brain as a network rather than isolated components, researchers gain a comprehensive understanding of its functioning, applicable to areas such as brain development, neurodegenerative disorders, and more.
RO: O cercetare revoluționară a fost creată în laboratoarele Universității din Wisconsin-Madison, oamenii de știință reușind să dezvolte primul țesut cerebral imprimat 3D din lume, care prezintă capacitatea remarcabilă de a crește și de a funcționa în mod similar cu țesutul cerebral uman. Acest progres este pe cale să revoluționeze domeniul neuroștiințelor și să ofere informații valoroase pentru cercetătorii care lucrează la tratamente pentru diverse tulburări neurologice și de neurodezvoltare, inclusiv pentru bolile Alzheimer și Parkinson. Condusă de Su-Chun Zhang, profesor de neuroștiințe și neurologie la Centrul Waisman din cadrul UW-Madison, această abordare nouă a imprimării 3D a țesutului cerebral promite să aprofundeze înțelegerea comunicării celulelor cerebrale, a biologiei celulelor stem și a cauzelor care stau la baza tulburărilor neurologice și psihiatrice.
Spre deosebire de metodele convenționale de imprimare 3D bazate pe straturi verticale, cercetătorii au adoptat o abordare orizontală unică. Aceștia au plasat celule cerebrale, în special neuroni derivați din celule stem pluripotente induse, în interiorul unui gel “bio-ink” mai moale, diferit de încercările anterioare. Această tehnică inovatoare a permis neuronilor să crească și să se interconecteze mai eficient. Celulele au fost poziționate foarte aproape unele de altele, asemănător cu aranjarea unor creioane unul lângă altul pe o masă. Această abordare a asigurat faptul că țesutul a rămas relativ subțire, facilitând un schimb optim de oxigen și nutrienți pentru neuronii în creștere. Ca rezultat, țesutul cerebral imprimat a demonstrat o funcționalitate remarcabilă, neuronii formând conexiuni în și între straturi, stabilind rețele asemănătoare celor întâlnite în creierul uman.
Ceea ce diferențiază acest țesut cerebral imprimat 3D este precizia și controlul asupra tipurilor și aranjamentului celulelor, un nivel de specificitate care nu poate fi atins cu organoidele cerebrale tradiționale. Echipa lui Su-Chun Zhang poate produce o mare varietate de neuroni și îi poate aranja în orice mod dorit, oferind un sistem definit pentru a studia modul în care funcționează rețeaua cerebrală umană în condiții specifice. Această versatilitate permite aplicații de cercetare care acoperă diverse domenii, inclusiv investigarea semnalizării celulare în cazul sindromului Down, explorarea interacțiunilor dintre țesuturile sănătoase și cele afectate de Alzheimer, evaluarea noilor medicamente și monitorizarea creșterii creierului. Prin studierea creierului ca rețea, decât format din componente izolate, cercetătorii obțin o înțelegere cuprinzătoare a funcționării sale, aplicabilă în domenii precum dezvoltarea creierului, tulburările neurodegenerative și altele.
Source (University of Wisconsin-Madison , “UW–Madison researchers first to 3D-print functional human brain tissue”, 01.02.2024)
Paper: Yan, Y., Li, X., Gao, Y., Mathivanan, S., Kong, L., Tao, Y., Dong, Y., Li, X., Bhattacharyya, A., Zhao, X. and Zhang, S.C., 2024. 3D Bioprinting of Human Neural Tissues with Functional Connectivity. bioRxiv, pp.2024-01.
