Scienziati creano tessuto cerebrale 3D funzionale stampato in 3D

Ricercatori dell’Università del Wisconsin-Madison hanno realizzato il primo tessuto cerebrale funzionale stampato in 3D che può svilupparsi e formare connessioni allo stesso modo del tessuto cerebrale umano reale. Questo risultato straordinario fornisce agli neuroscienziati uno strumento nuovo per studiare la comunicazione tra le cellule cerebrali e altre parti del cervello umano, aprendo potenzialmente nuove vie per il trattamento di malattie come l’Alzheimer e il Parkinson.

L’impresa innovativa di questo team di ricerca presieduto dal neuroscienziato Su-Chun Zhang, autore senior di un nuovo studio che descrive la ricerca, potrebbe cambiare il modo in cui consideriamo la biologia delle cellule staminali, la neuroscienza e la patogenesi di molte malattie neurologiche e psichiatriche.

Secondo Zhang e il suo team, molti laboratori dovrebbero essere in grado di utilizzare il loro nuovo metodo poiché non richiede apparecchiature speciali per la bio-stampa. Inoltre, il tessuto è facile da mantener sano e può essere studiato con microscopi e altre attrezzature tipicamente presenti nella maggior parte dei laboratori.

La bio-stampa 3D, un processo guidato dal computer che costruisce strati di materiali, cellule e altri componenti per creare strutture viventi, ha un enorme potenziale per creare tessuti che replicano e, in alcuni casi, sostituiscono il tutto reale.

“Perché possiamo stampare il tessuto in modo mirato, possiamo avere un sistema definito per osservare come funziona la nostra rete cerebrale umana”, afferma Zhang. “Possiamo esaminare molto specificamente come le cellule nervose si parlano a vicenda in determinate condizioni.”

Per comprendere le reti cerebrali umane allo scopo di studiare la salute e le malattie, spiegano i ricercatori, abbiamo bisogno di un modello affidabile di tessuti nervosi umani vitali, dal momento che i modelli animali non riescono a replicare appieno la complessità del cervello.

Tuttavia, la stampa di tessuti cerebrali funzionali umani rappresenta una sfida e finora la maggior parte dei tessuti stampati in 3D manca delle adeguate connessioni tra le cellule. I neuroni devono essere in grado di maturare mantenendo la struttura del tessuto intatta e le cellule di supporto come gli astrociti sono essenziali per il corretto funzionamento del tessuto.

I tentativi precedenti utilizzavano impalcature non biodegradabili che impedivano alle cellule neurali di migrare agevolmente. Invece dello sviluppo verticale tradizionale, il team ha utilizzato uno sviluppo orizzontale di neuroni derivati da cellule staminali pluripotenti indotte, posizionate in un gel ‘bio-ink’ più morbido rispetto ai metodi precedenti.

Le cellule del loro tessuto stampato possono formare reti simili al cervello all’interno e tra gli strati in poche settimane. I neuroni comunicano, inviano segnali, utilizzano neurotrasmettitori e formano anche reti con l’aggiunta di cellule di supporto.

“Il tessuto ha ancora sufficiente struttura per rimanere unito, ma è abbastanza morbido da consentire ai neuroni di crescere l’uno verso l’altro e cominciare a comunicare tra di loro”, spiega Zhang.

“Anche quando abbiamo stampato diverse cellule appartenenti a diverse parti del cervello, erano comunque in grado di comunicare in un modo molto speciale e specifico.”

Egli afferma che lo studio di una cosa alla volta significa perdere componenti cruciali perché il cervello funziona attraverso reti. La stampa dei tessuti cerebrali in questo modo consente un’osservazione più chiara delle interazioni cellulari.

“Abbiamo stampato la corteccia cerebrale e lo striato e ciò che abbiamo scoperto è stato abbastanza sorprendente”, afferma Zhang.

Hanno scoperto che gli assoni che proiettano nel tessuto cerebrale stampato ricalcano il modello del cervello umano, in cui i neuroni corticali proiettano assoni nello striato.

La precisione di questo metodo di stampa 3D consente il controllo sui tipi di cellule e gli ordinamenti, a differenza degli organi in miniatura usati per la ricerca cerebrale chiamati organoidi cerebrali.

Il prototipo tuttavia non può controllare la direzione dei neuroni maturi e il tessuto stampato manca della struttura naturale presente negli organoidi cerebrali. Tuttavia, Zhang e i suoi colleghi affermano che il metodo complementa gli organoidi come un modo utile per studiare il cervello in diverse condizioni.

“Può essere utilizzato per esaminare i meccanismi molecolari sottostanti lo sviluppo cerebrale, lo sviluppo umano, le disabilità dello sviluppo, i disturbi neurodegenerativi e altro ancora”, spiega Zhang.

Il team spera di migliorare il loro processo per creare tessuti cerebrali più specifici con cellule guidabili. Lo studio è stato pubblicato su Cell Stem Cell.

Sezione FAQ:

1. Che cos’è il tessuto cerebrale funzionale stampato in 3D?
Il tessuto cerebrale funzionale stampato in 3D è un tipo di tessuto cerebrale artificiale che può svilupparsi e formare connessioni come il tessuto cerebrale umano reale. È stato creato dai ricercatori dell’Università del Wisconsin-Madison.

2. Qual è l’importanza di questa innovazione?
Questa innovazione fornisce agli neuroscienziati uno strumento nuovo per studiare la comunicazione tra le cellule cerebrali e altre parti del cervello umano. Ciò apre potenzialmente nuove vie per il trattamento di malattie come l’Alzheimer e il Parkinson.

3. Qual è il vantaggio del metodo di bio-stampa 3D utilizzato?
Il metodo di bio-stampa 3D utilizzato da questo team di ricerca non richiede apparecchiature speciali ed è accessibile alla maggior parte dei laboratori. Il tessuto stampato può essere studiato con strumenti comuni come microscopi e altre attrezzature di laboratorio.

4. Quali problemi avevano i metodi precedenti di stampa di tessuti cerebrali?
I metodi precedenti di stampa di tessuti cerebrali mancavano delle adeguate connessioni tra le cellule neurali. Inoltre, le impalcature non biodegradabili impedivano alle cellule neurali di migrare correttamente.

5. Come è stato risolto questo problema con il nuovo metodo di stampa?
Il nuovo metodo di stampa utilizza uno sviluppo orizzontale di neuroni derivati da cellule staminali pluripotenti indotte, posizionate in un gel ‘bio-ink’ morbido. Questo permette ai neuroni di crescere l’uno verso l’altro e di formare reti simili al cervello.

6. Quali sono le prossime sfide per il team di ricerca?
Il team di ricerca spera di migliorare il loro processo per creare tessuti cerebrali ancora più specifici con cellule guidabili. Il prototipo attuale non può controllare la direzione dei neuroni maturi e manca della struttura naturale presente negli organoidi cerebrali.

7. Quali sono le possibili applicazioni future di questa tecnologia?
Questa tecnologia potrebbe essere utilizzata per studiare i meccanismi molecolari dello sviluppo cerebrale, lo sviluppo umano, le disabilità dello sviluppo e le malattie neurodegenerative.

Termini chiave:

– Bio-stampa 3D: Un processo guidato dal computer che costruisce strati di materiali, cellule e altri componenti per creare strutture viventi.
– Cervello umano: Il tessuto nervoso che costituisce l’organo principale del sistema nervoso centrale nell’uomo.
– Neuroni: Le cellule nervose responsabili della trasmissione delle informazioni nel sistema nervoso.
– Cellule staminali pluripotenti indotte: Cellule che possono essere convertite in qualsiasi tipo di cellula del corpo, utilizzate in questo caso per sviluppare tessuto cerebrale artificiale.
– Neurotrasmettitori: Sostanze chimiche che trasmettono segnali tra le cellule nervose nel cervello.
– Organoidi cerebrali: Organoidi in miniatura utilizzati per studiare il cervello e le sue malattie.

Link correlati:

Università del Wisconsin-Madison
Cell Stem Cell