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3D打印人脑类器官微生理分析平台,用于免疫驱动大脑衰老过程监测
来源:MEMS

免疫系统的老化驱动系统性老化和与年龄相关的疾病的发病机制(如阿尔茨海默病)。但是由于体外研究的有限性,在理解免疫驱动的衰老,尤其是大脑衰老方面,仍然存在重大的知识空白。因此,研发神经-免疫相互作用的优良模型显得尤其重要。

来自哈佛医学院的Luke P. Lee教授课题组与印第安纳大学布明顿分校的郭峰课题组合作,通过3D打印开发了人脑类器官微生理分析平台(Microphysiological analysis platform,MAP),可动态监测免疫驱动大脑衰老过程,该工作以题为“Understanding Immune-Driven Brain Aging by Human Brain Organoid Microphysiological Analysis Platform”的研究报告于近期刊登在Advanced Science上。


构建人脑类器官微生理分析平台(MAP)了解免疫驱动的大脑衰老

为了解免疫驱动的脑衰老过程,研究人员开发了人脑类器官MAP,从老年和年轻的供体分离单核细胞(图1a),和人脑类器官相互作用,来模拟免疫驱动的大脑衰老。MAP有2个部分组成(图1b、c):1)一个中空的网状管状可灌注支架,与两个介质容器相连,用于支持类器官沿管状支架表面生长,灌注氧气和营养物质,并模拟免疫细胞(例如单核细胞)在血管中流向类器官;2)薄玻璃盖玻片上的有机体支架,用于将有机体固定在孔板内。发育中的类器官可以在管状可灌注支架和类器官支架之间的有限空间内(400μm内)长成煎饼状结构。一旦与摇摆流相结合,MAP可最大限度地减少玻片上培养的类器官的坏死和缺氧,进而促进免疫细胞的无创流入,实现动态观察免疫细胞-类器官相互作用的延时成像(图1d)。

图1 构建人脑类器官微生理分析平台(MAP)了解免疫驱动的大脑衰老

芯片上构建人脑皮质类器官的可灌注培养

在MAP应用于人脑类器官培养之前,首先生成并优化了在芯片上培养人脑皮质类器官。通过模拟,描述了MAP装置内的3D分布图(图2a左)和侧视图(图2a右)(摇摆角=15,摇摆频率=0.1rpm)。进一步测量了流速对摇摆角的依赖性(图2b中的点,摇摆频率=0.1rpm),这与模拟结果相匹配(图2b中的红色虚线)。该研究采用了一种在芯片上生成和培养人脑皮质类器官(human cortical organoids,hCO)的方案(图2c)。具体来说,用SB-431542和XAV-939将人类胚胎干细胞(human embryonic stem cells ,hESC)组装为直径约300μm的胚胎体(embryonic bodies,EBs),通过抑制TGF和Wnt/β-catenin信号传导来诱导神经和形成图像。在第9天将EB转移到孔板内的类器官支架上,原位嵌入Matrigel中,并在装置内培养15天,直到形成围绕网状管状支架形成的中空结构(图2d)。培养基中添加多种生长因子,如BDNF、EGF或FGF,用于诱导神经元分化、成熟和存活。在第24天,孔板内的装置被转移到摇摆平台以产生内腔流体流动,同时添加抗坏血酸和cAMP,以支持神经祖细胞分化为成熟神经元、类器官生长。

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