基于生物三维打印技术构建类脑颞叶癫痫模型的研究

The brain is the most complex organ of mankind, commanding the whole body as well as serving as the material carrier of ideology. However, the formation and development of brain disease lesions, seriously damage the health of the brain, bringing great pressure to the patient's life. As a result, brain science and neuroscience for understanding the brain and cure the diseases develop fast recently, becoming the forefront of the development of science and technology in the world at the beginning of the twenty-first century. In this project, epilepsy is used as an example of targeted brain disease, and a model of brain temporal lobe epilepsy based on current 3D bioprinting technique is proposed. It provides an effective method for studying the formation and development of epilepsy, even other diseases in neuroscience. First, taking advantages of new bioink for neural cells printing, we design and improve 3D bioprinting protocol for construction functional brain like tissue in vitro. This technology allows us to investigate the mutual communication mechanism of cell-cell and cell-microenvironment. Then we design culturing protocols for in vitro cultures, construct in vitro biological environment for neural cell survival, and develop in vitro drug-induced epileptic model. The aim is to construct a brain like temporal lobe epilepsy model in vitro, for understanding the formation and development of epilepsy lesions. In addition, antiepileptic drugs are used to test the sensitivity of the constructed model, and this model is ready to provide a highly reliable and efficient method for the design and development of new antiepileptic drugs. The study is a major frontier for manufacturing, materials, information and life sciences, providing new technologies and new approaches for future applications in the national health field.

大脑作为人类最复杂的器官是支配全身的指令中枢。然而脑疾病的发生，严重的破坏了大脑的健康。为了研究大脑工作机制和大脑疾病，脑科学与神经科学已成为世界各国发展科技的前沿方向。本项目以癫痫为切入点，提出一种基于现有生物三维打印技术构建高仿真的类脑颞叶癫痫模型，为研究癫痫疾病病灶形成和发展提供一种有效的研究手段。首先，发展新型生物打印材料，并设计和完善构建类脑组织的细胞三维打印技术及工艺。在所构建类脑组织中系统研究细胞之间和细胞与微环境之间的作用关系，以及神经网络形成机制。然后，研发体外仿生培养技术，构建体外适合神经细胞生存的微环境，发展体外癫痫诱导模型。目标是研究癫痫病灶的形成和发展，并且使用抗癫痫药物来检测所构建模型的灵敏度，为发展新的抗癫痫药物提供高效可靠的研究方法。此项研究是制造、材料、信息与生命科学的大交叉大前沿，为未来在国民卫生领域生物医用科学的战略性发展供新技术和新方法的支持。

本项目提出了一个基于生物三维打印技术构建类脑颞叶组织模型来研究仿癫痫活动的研究方法。相比于传统的体外二维组织研究方法，所构建体外三维组织不仅保存了二维结构可控培养环境的优势，也克服了体外二维组织不能体现三维效果的劣势，使其成为一种理想的体外实验模型。本项目以模拟体外癫痫模型为切入点，在所构建的类脑颞叶组织中模拟癫痫状态，并用神经药物来检测所构建模型的可靠性，为未来研究癫痫疾病病灶形成和发展提供一种有效的研究手段。按照仿生学原理，设计三层含有原代颞叶原代神经细胞并且具有营养供给通道的类大脑颞叶组织三维模型。同时，设计和完善构建该类脑颞叶组织所需要的生物三维打印技术及工艺。按照天然大脑的力学性能，通过调配不同材料组分使得所构建类脑组织模型也具有相似的力学性能。为了保证细胞存活率，优化打印工艺和流程，并且通过改善体外培养技术来实现该模型的体外长期培养。所构建类脑颞叶组织可以在体外培养至一个月以上，这为研究体外神经网络的形成提供了稳定可控的研究模型。该模型不仅可以用来研究细胞与微环境之间的相互作用，也可以用来研究体外神经网络的形成和发展机制。通过电生理刺激来构建体外仿癫痫模型，模拟体外组织结构中神经细胞经历癫痫作用的状态。目标是模拟仿癫痫病灶的形成和发展，并且分别使用信号抑制药物，即可阻断钠离子通道的TTX和AMPA受体拮抗剂DNQX，来检测所构建模型对神经药物的灵敏度，为发展新的抗癫痫药物提供高效可靠的研究方法。通过药物检测实验发现，所构建类脑颞叶组织模型对不同极性药物有选择作用，即极性小的药物可以在该组织结构内迅速扩散而极性大的分子则会有较小的扩散速率。该选择作用非常类似于天然血脑屏障对药物的筛选作用而未来对该模型的优化和提升将有利于高效体外药物筛选模型的开发和运用。此项研究是制造、材料、信息与生命科学的大交叉大前沿，为未来在国民卫生领域生物医用科学的战略性发展供新技术和新方法的支持。