神经元是大脑中关键的细胞，通过交换信号建立网络，使大脑能够快速学习和适应。荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）的研究团队制造了一种3D打印的“类脑环境”，使神经元能够像在真实大脑中一样生长。通过利用微小的纳米柱，他们模拟了软神经组织和大脑细胞外基质的纤维。这种创新的模型揭示了神经元如何建立网络，并作为了解在阿尔茨海默病、帕金森病和自闭症谱系障碍等神经系统疾病中这一过程可能受到影响的新工具。
神经元与身体中的其他细胞类似，会对周围环境的刚度和形状作出反应。传统的培养皿是平坦和刚性的，与大脑细胞外基质的柔软、纤维状环境形成对比。为了模仿这一环境的几何和机械特性，副教授安杰洛·阿卡尔多（Angelo Accardo）的团队使用一种被称为双光子聚合的高精度3D打印技术设计了纳米柱阵列。这些柱子比一根人发细千倍，像微型森林一样排列在表面上。通过改变柱子的宽度和高度，研究人员调整了它们的剪切模量，这是一种细胞在穿越微观或纳米结构表面时所感知的机械特性。“这使得神经元误认为它们处于一个柔软的、类脑环境中，即使纳米柱的材料是刚性的。当神经元在这些纳米柱上爬行时，它们模拟了脑组织的柔软性，并为神经元提供了一个三维纳米结构进行相互作用，类似于真实脑组织中的纳米纤维，”阿卡尔多解释道。这种设置影响了神经元的生长和连接性。
从随机生长到有序网络
为了验证模型，研究人员在纳米柱上培养了三种神经细胞，这些细胞分别来自小鼠脑组织或人类干细胞。当在标准的平面培养皿或2D生物材料中培养时，神经元往往向随机方向生长。然而，在3D打印的纳米柱阵列上，这三种细胞都以更有序的形式生长，以特定角度创建网络。这些发现发表在《先进功能材料》上并被其封面报道，还提供了关于神经生长锥行为的新见解。阿卡尔多表示：“这些手状结构引导生长神经元的尖端寻找新的连接。在平面表面上，生长锥往往会扩展并保持相当平坦。但在纳米柱阵列上，生长锥延伸出长长的指状突起，向四周探索——不仅限于平面，还在3D空间中移动，反映出真实大脑环境典型的行为。”此外，纳米柱环境似乎促进了神经元的成熟，“研究的第一作者乔治·弗拉毛拉基斯（George Flamourakis）强调说。培养在柱子上的前体细胞与在平面表面上培养的细胞相比，表现出更高水平的与成熟神经元相关的标记物。“这表明该系统不仅影响生长方向，还促进神经元的成熟。”
研究脑部疾病的工具
然而，如果柔软性如此关键，为什么不简单地在胶状材料上培养神经元呢？“胶基质，如胶原蛋白或Matrigel的问题在于它们会因批次而异，并且缺乏专门设计的几何特征。纳米柱阵列模型结合了柔软环境的优势与纳米级结构，同时由于双光子聚合的精度，提供了卓越的可重复性，”阿卡尔多解释道。通过紧密模拟神经元的生长和相互联系，这种新开发的模型可能为了解健康脑网络与受到神经系统疾病影响的网络之间的差异提供有价值的见解，包括阿尔茨海默病、帕金森病和自闭症谱系障碍。
