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塔夫茨大学领导的研究人员团队开发了一种用于中枢神经系统的三维(3D)人体组织培养模型，模拟大脑的结构和功能特征，并展示了持续数月的神经活动。由于能够将阿尔茨海默病，帕金森病和其他疾病患者的细胞填充丝蛋白和胶原蛋白的三维基质，组织模型可以探索细胞相互作用，疾病进展和对治疗的反应。今天，ACS生物材料科学与工程(美国化学学会期刊)报道了模型的开发和表征。
新的3D脑组织模型克服了以前模型的关键挑战 - 人类神经元的可用性。这是因为神经组织很少从健康患者身上移除，并且通常仅在患病患者的死后可用。相反，3D组织模型填充有人诱导的多能干细胞(iPSC)，其可以源自许多来源，包括患者皮肤。iPSC是通过将细胞发育的时钟转回其胚胎样前体而产生的。然后他们可以再次向前拨打任何细胞类型，包括神经元。
3D脑组织模型是工程学与医学科学合作的结果，包括塔夫斯大学工程学院，塔夫茨大学医学院，塔克斯大学萨克勒生物医学科学学院和杰克逊实验室的研究人员。“我们找到了合适的条件，让iPSCs分化成许多不同的神经亚型，以及支持不断增长的神经网络的星形胶质细胞，”斯特恩家庭工程教授，主席David L. Kaplan博士说。塔夫斯大学工程学院生物医学工程系，塔夫茨大学萨克勒生物医学科学学院项目教员。“丝 - 胶原蛋白支架为生产具有遗传特征和天然神经组织中发现的电信号的细胞提供了合适的环境。”
与在两个维度上生长和培养细胞相比，三维基质产生了在神经组织中发现的明显更完整的细胞混合物，具有适当的形态和受体和神经递质的表达。其他人已经使用iPSC来制造类似大脑的类器官，这是一种用于理解大脑发育和功能的小型密集球形结构，但仍然难以弄清楚个别细胞在实时做些什么。此外，类器官中心的细胞可能无法接收足够的氧气或营养物质以在天然状态下起作用。本研究中描述的3D组织培养物的多孔结构提供了充足的氧合作用，营养物质的获取和细胞特性的测量。每个3D矩阵中心的清晰窗口使研究人员能够可视化单个细胞的生长，组织和行为。
“神经网络的增长在3D组织模型中是持续且非常一致的，无论我们使用来自健康个体的细胞还是来自阿尔茨海默氏症或帕金森病患者的细胞，”威廉·坎特利博士说，2018年毕业于Cell，塔夫茨大学Sackler研究生生物医学科学学院的分子与发育生物学课程，该研究的第一作者，作为博士学位的一部分完成。论文。“这为我们提供了一个可靠的平台来研究不同的疾病状况以及观察细胞长期发生情况的能力。”研究人员正在展望通过先进的成像技术，以及添加其他细胞类型(如小胶质细胞和内皮细胞)来更好地利用3D组织模型，以创建更完整的大脑环境模型和复杂的相互作用。参与信号传导，学习和可塑性以及退化。
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