澳洲墨爾本莫納什大學的研究人員在生物醫學工程領域取得了重大成就。他們成功地利用大鼠腦細胞 3D 列印活體神經網絡，為藥物測試和研究大腦功能開闢了新的可能性。這項尖端技術有潛力取代傳統的動物測試方法，開創個人化醫療的新時代。
3D 列印迷你大腦：動物測試的有效替代方案
2023 年初，美國國會通過立法，呼籲科學家在聯邦資助的研究中減少對動物的依賴。這項措施是由美國食品藥物管理局現代化法案2.0的簽署所推動的，該法案允許在藥物安全研究中探索高科技替代方案。最有前途的替代方案之一是使用 3D 列印的迷你大腦。
這些迷你大腦有可能取代在數千隻動物身上測試新藥的需要。莫納什大學的研究人員透過 3D 列印由大鼠腦細胞組成的活體神經網絡，在這個方向上邁出了重要一步。這種創新方法有望實現更合乎道德和更有效的藥物試驗。
為了創建這些 3D 列印神經網絡，莫納什大學團隊使用了一種獨特的方法。他們將「生物墨水」——懸浮在凝膠中的大鼠腦細胞的混合物——通過噴嘴擠壓到支架中，類似於噴墨印表機將墨水塗在紙上的方式。神經結構是逐層建構的，有八個垂直層在有細胞和沒有細胞的生物墨水之間交替。
這種方法可以精確控制細胞在記錄電極上的放置，同時保持模仿正常腦組織複雜性的 3D 結構。神經網路不僅包含神經元，還包含星狀細胞、少突膠質細胞和小膠質細胞，這些支持細胞對神經元的健康和連結至關重要。
3D 列印神經網路的成功在於其功能。這些網路表現出與真實神經元類似的行為，包括延伸長軸突以進行跨層通訊。使用微電極記錄細胞的電活動，並使用螢光染料來視覺化它們的化學通訊。
這種對真實神經網路的功能模仿對於潛在的生物醫學應用至關重要，例如藥物發現和神經退化性疾病的研究。對於這些應用，神經網路必須忠實複製真實腦細胞的行為。
挑戰與未來方向
儘管這項突破充滿希望，但仍有挑戰需要克服。一個關鍵的挑戰是技術的擴展。莫納什大學實驗中創建的 3D 列印神經網路每平方毫米包含數千個神經元，而人腦則有數十億個神經元。將精確但緩慢的 3D 列印過程擴大到商業藥物測試和大規模研究需要進一步的開發。
此外，確保3D 列印神經網路中人體細胞的存活和功能是一個持續的挑戰。研究人員必須找到方法來製造模仿大腦特性的凝膠，同時允許 3D 列印而不傷害細胞。
儘管有這些挑戰，3D 列印活體神經網路的潛在好處是巨大的。該技術有可能減少各種研究背景下對動物測試的需求。然而，科學家可能需要時間來接受這種創新方法，因為既定的方法和實踐深深植根於研究界。
個人化醫療的未來也非常有前景。醫院可能擁有 3D 列印套件，醫生可以使用患者活檢組織列印用於藥物測試的組織，從而提供針對個人的治療方案。