Hatalmas áttörést jelent az orvostudománynak, hogy tudósoknak először sikerült nyomtatni teljesen ép és működő agyszövetet. Elismerik, hogy vannak még finomításra váró munkafolyamatok, viszont ezek a modellek sokkal pontosabbak, mint a hagyományos állati változatok.
A tudósok először hoztak létre működőképes emberi agyszövetet 3D nyomtatóval. Az új tanulmány szerzői szerint a nyomtatott szövet úgy növekszik és úgy működik, mint egy normális emberi agyban. A tudósok 0,02 centiméter vastagságú szövetet nyomtattak, amely idegsejteket és glia nevű támogató sejteket egyaránt tartalmaz. Mindezek a sejtek képesek egymással kommunikálni és hálózatokat alkotni, ahogyan egy valódi emberi agyban is tennék – írta meg a livescience.
A központi idegrendszer neuronjait többfajta nem ingerlékeny sejt támogatja, amelyeket együtt neurogliának (glia) nevezünk. A gliasejtek általában kisebbek a neuronoknál, számuk azonban azokét 5-10-szeresen meghaladja. Az agy és a gerincvelő teljes térfogatának mintegy felét teszik ki.
A szövetet egy „biológiai nyomtató” segítségével hozták létre, amely vízszintes rétegekben őssejtekkel teli gélt nyomtatott egymásra. Az őssejteket ezután a fejlődést serkentő vegyi anyagokkal rávették, hogy agysejtekké alakuljanak. A szövetrétegeket egyenként, óvatosan egymásra helyezték egy laboratóriumi tálcán, hogy egy teljes szövetmodellt alkossanak.
A nyomtatott szövetek mögött álló kutatók a Cell Stem Cell című folyóiratban megjelent tanulmányban ismertették eredményüket. Reményeik szerint ez kiegészíti majd az emberi agy más modelljeit, ugyanis az ilyen, valódi emberi sejtekből készített modellek pontosabban reprezentálják az emberi agy bonyolult és egyedi jellemzőit, mint a hagyományos állati modellek. (Ezek közé tartoznak az úgynevezett brain-on-a-chip technológiák, amelyek az agyszövetet hitelkártya méretű eszközökön utánozzák, valamint az agyi organoidok, amelyek az agy miniatűr, egyszerűsített modelljei, amelyek csészékben maguktól összeállnak.)
Az organoid egy szerv miniatürizált és egyszerűsített, három dimenzióban, in vitro (izolált üvegben) előállított változata, amely az adott szerv legfontosabb funkcionális, szerkezeti és biológiai komplexitását utánozza. Egy szövet egy vagy néhány sejtjéből, embrionális őssejtekből vagy indukált pluripotens őssejtekből származnak, amelyek önmegújító és differenciálódási képességüknek köszönhetően képesek háromdimenziós környezetben maguktól összeállni. Az organoidok tenyésztésének technikája a 2010-es évek eleje óta gyorsan fejlődött, és a The Scientist a 2013-as év egyik legnagyobb tudományos előrelépéseként említi. A tudósok és mérnökök az organoidokat a fejlődés és a betegségek laboratóriumi tanulmányozására, az ipari gyógyszerkutatásra és -fejlesztésre, a személyre szabott diagnosztikára és orvoslásra, a gén- és sejtterápiákra, a szövetmérnöki és regeneratív orvoslásra használják.
Az organoidokkal ellentétben azonban a nyomtatási technika nagyobb kontrollt biztosít a tudósok számára, hogy mely sejtek hova kerüljenek a végső szövetben. A nyomtatott szöveten belül az idegek két–öt héten belül összeköttetést is kialakítanak egymással – ez a folyamat az organoidok esetében hónapokig is eltarthat, mondta Su-Chun Zhang, a tanulmány társszerzője, a Wisconsin–Madison Egyetem idegtudományi és neurológiai professzora a Live Science-nek.
„Ennek a gyorsaságnak köszönhetően a 3D-nyomtatott agyszövet különböző változatai is sokkal könnyebben elkészíthetők, mint az organoidok” – mondta Zhang.
Ez a technológia ezért különösen hasznos lehet az agyműködést befolyásoló betegségek, például a neurodegeneratív és pszichiátriai rendellenességek új gyógyszerjelöltjeinek tesztelésére
– tette hozzá. A különböző nyomtatott modelleket ugyanis úgy lehetne elkészíteni, hogy azok az egyes betegségek jellemzőit jelenítsék meg.
A tudósok korábban már próbálkoztak emberi agyszövet nyomtatásával. A végtermékben lévő neuronok és glia azonban nem tudtak megfelelő, működő kapcsolatot kialakítani egymással – írják a szerzők a tanulmányban. Az új nyomtatási módszer lehetővé tette a hálózatok kialakulását, mivel olyan gélt használt, amely elég puha volt ahhoz, hogy megkönnyítse ezt a folyamatot, és elég teret engedett a sejteknek ahhoz, hogy kinyúljanak és összekapcsolódjanak. Ráadásul a gélnek megvolt a szükséges pluszszilárdsága ahhoz, hogy az agyszövet rétegeit továbbra is összetartsa.
A hagyományos 3D nyomtatási módszerekkel ellentétben, amelyek az anyagrétegeket függőlegesen teszik egymásra, a szerzők itt a gélt vízszintesen rakják egymásra. Ez lehetővé tette, hogy a rétegek vékonyabbak legyenek, és így a bennük lévő sejtek a lehető legtöbb oxigénhez és tápanyaghoz jutottak.
A kinyomtatott őssejtek kifejlett neuronokká és gliákká fejlődtek, amelyek az emberi agyban találhatóakhoz hasonló hálózatokat alkottak, és még kommunikáltak is egymással a neurotranszmittereknek nevezett kémiai hírvivőkön keresztül. A nyomtatott sejtek, amelyek normális esetben az agy különböző részeihez tartoznak – például az agy külső rétegéhez, a kéreghez és a döntéshozatalban részt vevő striatumhoz (csíkos mag) –, szintén kapcsolatokat alakítottak ki egymással.
A szerzők elismerték, hogy az új modellnek még vannak hibái, például a gél lágysága miatt nem lehet egyszerre több réteget nyomtatni, mert azok összeesnének, ha a gél nem tudna megszilárdulni a két réteg között. Ez pedig lassítja a nyomtatási folyamatot. Az egyes rétegek vastagsága is korlátozott a bennük lévő sejtek tápanyagigénye miatt, ami következésképpen korlátozza a szövet teljes méretét.
„A modell, az egy modell, nem a valódi agy – mondta Zhang. – A csapat azonban azon dolgozik, hogy ezeket a potenciális buktatókat kezelje, és a jövőben finomítsa a technológiát.”