现在，神经科学家已经使用大脑类器官来研究大脑。虽然大脑类器官具有巨大的科学意义，并且极大地促进了我们对大脑的理解，但它们存在很大的变异性，不规则且不受控制。每种类器官的组成和功能都彼此不同，目前还没有一种方法可以控制这一点。而 3D 打印脑组织可以很好地克服这一问题，因为其成分完全可控。
之前有研究尝试过3D 打印人类大脑组织，但其成功率很低，因为打印方式和所用的生物材料阻碍了它像典型脑组织一样生长和发挥功能的能力。传统上，3D 打印是在垂直层上完成的，一层堆叠在另一层之上。为了保持其结构，用于打印的凝胶或生物墨水必须具有更刚性的结构以保持其形状。如果凝胶太硬，神经细胞就不会朝着彼此生长，意味着神经细胞之间互相不连接，而不连接和交流的神经则不会形成有功能的脑组织。
2024年2月1日，温医大1984届校友、威斯康星大学麦迪逊分校神经科学和神经病学教授、怀斯曼中心张素春研究员团队（共同一作为颜远伟和Xueyan Li）在Cell Stem Cell上发表了技术文章3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity，首次实现了3D打印具有功能的脑组织。
研究人员开发了一种新型的3D 打印技术和方法，允许源自诱导多能干细胞 (iPSC) 的神经元在打印的脑组织和各层之间形成连接，让这些神经元开始像人脑组织里的细胞一样发挥功能。为了克服神经细胞不连接的问题，研究人员打印了“它们”的组织，这样生物墨水就可以更柔软并允许形成连接。该组织被打印成水平行，就像铅笔并排放置在桌子上一样。该组织仍然具有足够的结构来结合在一起，但它足够柔软，可以让神经元相互生长并开始相互交流。这种打印方式还可以使组织保持相当薄的状态，这使得神经元很容易从培养液中获得足够的氧气和足够的营养。垂直打印时，组织会变得非常厚，这会使细胞难以获得所需的氧气和营养。另一个关键组成部分是研究人员开发的生物墨水，这种生物墨水旨在模仿人脑神经细胞的环境，可以使神经细胞能够良好地存活并发挥良好的功能。
该打印技术使实验室可以打印自己的组织，因为它不需要任何特殊的设备或培养物来维护组织。该领域几乎所有实验室都可以找到的标准细胞培养方法，可以使脑组织保持活力和健康。同样，由于组织仍然很薄，不需要将组织切成切片，可以使用常规显微镜、钙成像或谷氨酸成像等标准成像技术来深入研究组织，并且可以使用简单的电极来观察组织的电生理特性。这使得打印的组织可以方便地供世界各地的实验室使用，这可能有助于人类大脑研究的扩展和多样化。
之后，研究人员用特定类型的神经元打印了大脑的两个不同部分（大脑皮层和纹状体），并观察它们是否可以相互交流，发现它们仍然能够以一种非常特殊和特定的方式相互交谈。另外研究人员还用阿尔茨海默氏症患者的细胞和大脑的其他部分打印了一块脑组织。然后他研究了脑组织相互作用如何影响阿尔茨海默病的发生和进展。
总之，研究人员开发的这一3D打印脑组织技术方案是人体组织 3D 打印领域的一大进步，用于研究大脑发育、人类发育、发育障碍、神经退行性疾病等的分子机制。另外该方案还可以用作药物筛选平台或药物测试平台。
张素春现是威斯康星大学Steenbock教授和杜克大学-新加坡国立大学医学院教授。他联合创办的干细胞公司 BrainXell Inc. (https://brainxell.com/) 一直在推进其实验室研究成果的转化工作。这家公司成立于 2015 年，位于威斯康星州麦迪逊，拥有多项基于人类干细胞定向分化为高度富集的神经元亚型的专有技术。该公司的重点是药物发现，可提供一系列高纯度、iPSC 衍生的人类神经元。2022年， 他在加州圣地亚哥创办了 BrainXell Therapeutics Inc. （https://brainxelltx.com/），推进用于帕金森病、脊髓损伤等适应症的干细胞治疗，其中用于帕金森病的干细胞治疗管线处于临床前研究阶段。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.12.009
