浦項科技大學3D打印人腦模型，用于研究神經系統疾病治療方法
時間：2025-06-20 09:30 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年6月19日，由浦項科技大學（POSTECH）機械工程系Dong-Woo Cho教授和機械工程系、IT融合工程系、生命科學系和跨學科研究生項目系Jinah Jang教授領導的研究團隊，與Mihyeon Bae博士和Joeng Ju Kim博士合作，采用生物3D打印技術成功開發出一種能夠緊密模擬人腦結構和功能的3D大腦模型，并將其作為研究神經退行性疾病的工具。
研究成果以題為“3D bioprinted unidirectionalneural network and its application for alcoholic neurodegeneration”的論文發表在制造和材料科學領域的頂尖期刊《國際極限制造雜志》（International Journal of Extreme Manufacturing）上。
眾所周知，阿爾茨海默病和帕金森病等神經退行性疾病一旦發病就難以逆轉，因此早期診斷和預測模型至關重要。然而，大腦是人體最復雜的器官，細胞和信號傳導機制錯綜復雜，至今仍未被深入探索。最近的研究表明，即使是日常飲酒也可能與神經損傷有關，這進一步凸顯了我們迫切需要能夠在實驗室環境下精確復制人腦反應的體外腦模型。現有的二維細胞培養和干細胞衍生的類器官在復制大腦復雜的結構和功能方面表現出顯著的局限性。
為了克服這些局限性，浦項科技大學研究團隊開發了生物工程神經網絡（BENN），這是一種利用3D打印技術構建的新型3D人工大腦模型。3D模型的核心創新在于仿生劃分，將大腦劃分為兩個不同的區域：灰質，包含神經元細胞體；白質，由排列整齊的軸突組成，這些軸突充當信息高速公路，促進信號傳輸。
△圖1. 使用 3D 細胞打印構建的區間化神經結構。（a）BENN 開發示意圖。（b）構建區間化神經結構的程序。（c）打印的區間化結構，比例尺代表 200 μm。（d）活/死成像以驗證無細胞區域打印寬度的優化以誘導軸突延長。（e）成熟三周后區間化的熒光圖像。（f）BDNF處理的區間化模型的免疫熒光圖像，比例尺代表 100 μm。（g）神經元/神經膠質細胞分化的RT-PCR 結果；*使用學生 t 檢驗確定統計學顯著性，顯著性 * p < 0.05，** 代表p < 0.01，*** 代表 p < 0.001，**** 代表 p < 0.000 1。
研究人員利用電刺激引導神經元軸突沿特定方向生長，促進排列整齊、相互連接的神經通路形成。這最終建立了一個與大腦原生信號傳輸架構非常相似的功能性神經網絡。鈣離子通量的實時監測證實，BENN 模型表現出與實際腦組織中觀察到的類似的電生理反應。
此外，研究團隊利用 BENN 平臺研究酒精暴露對腦功能的影響。模型每日接受濃度為 0.03%（代表適度社交飲酒）的乙醇處理，持續三周。在灰質區域，他們觀察到阿爾茨海默病相關蛋白（包括淀粉樣β蛋白和 tau 蛋白）水平升高。在白質區域，他們發現神經纖維出現顯著的形態變化，包括腫脹和扭曲。神經信號的傳播也表現出明顯的衰減。這項研究首次利用生物工程大腦模型，實時直接可視化和量化特定區域對酒精的神經毒性反應。Dong-Woo Cho 教授表示：“該模型能夠對以往難以觀察到的神經連接和電生理反應進行高分辨率分析。它在早期疾病檢測和臨床前階段準確預測治療結果方面具有巨大潛力。”
Jinah Jang 教授表示：“這項研究標志著我們在實驗室環境下研究腦部疾病早期病理事件的能力邁出了重要一步。”這項 POSTECH 研究得到了韓國再生醫學基金會的支持，并由科學和信息通信技術部、衛生和福利部（22A0106L1，韓國）以及韓國政府（MSIT）資助的韓國國家研究基金會（NRF）撥款（編號 2022M3C1A3081359）資助。
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