Một Phòng thí nghiệm Vừa 3D In một Mạng Nơ-ron của Tế bào Não Sống

Bạn có thể 3D in gần như mọi thứ: tên lửa, buồng trứng chuột và vì một lý do nào đó, đèn làm từ vỏ cam. Bây giờ, các nhà khoa học tại Đại học Monash ở Melbourne, Úc, đã in mạng nơ-ron sống gồm các tế bào não chuột có vẻ phát triển và giao tiếp như não thật.

Các nhà nghiên cứu muốn tạo ra não nhân tạo một phần vì chúng có thể trở thành một lựa chọn thay thế khả thi cho thử nghiệm trên động vật trong các thử nghiệm dược và nghiên cứu về chức năng cơ bản của não. Đầu năm 2023, Quốc hội Hoa Kỳ thông qua một dự luật ngân sách hàng năm thúc đẩy các nhà khoa học giảm sử dụng động vật trong nghiên cứu được tài trợ bởi chính phủ, theo sau việc ký kết Đạo luật Cập nhật 2.0 của Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ, cho phép sử dụng các phương thức thử nghiệm an toàn cao. Thay vì thử nghiệm các loại thuốc mới trên hàng nghìn con động vật, các công ty dược có thể áp dụng chúng vào não nhân tạo được in 3D - lý thuyết là như vậy. Tuy nhiên, vẫn còn những vấn đề phức tạp cần giải quyết trước khi điều này trở thành chính thức trong phòng thí nghiệm.

Việc 3D in chỉ là một trong những phương tiện tham gia vào cuộc đua để xây dựng một não nhân tạo tốt hơn. Một tùy chọn hiện có khác là nuôi cấy một lớp tế bào nơ-ron trong một đĩa petri, hướng dẫn tế bào phát triển qua các điện cực ghi âm. Việc phát triển mô xung quanh điện cực thuận tiện để thực hiện các thí nghiệm, nhưng nó đi kèm với chi phí của tính hiện thực sinh học. (Não không phẳng.) Để tiếp cận cấu trúc thật sự của não hơn, các nhà nghiên cứu có thể thuyết phục một đám tế bào gốc tự sắp xếp thành các cấu trúc 3D gọi là tạp chất, nhưng không thể kiểm soát hoàn toàn cách chúng phát triển.

Đội ngũ nghiên cứu Monash đã thử nghiệm phân chia sự khác biệt. Với in 3D, nhà nghiên cứu có thể nuôi cấy tế bào theo các mô hình cụ thể trên các điện cực ghi âm, mang lại cho họ một mức kiểm soát thực nghiệm thường chỉ dành cho việc nuôi cấy tế bào trên bề mặt phẳng. Nhưng vì cấu trúc đủ mềm để cho phép tế bào di chuyển và tự tổ chức lại chúng trong không gian 3D, nó đạt được một số lợi ích của phương pháp tạo mô, mô phỏng gần hơn cấu trúc của mô tế bào bình thường. “Bạn có thể nói rằng bạn đang có được cả hai thế giới tốt nhất,” nói Michael Moore, giáo sư kỹ thuật y sinh học tại Đại học Tulane ở New Orleans, Louisiana, người không tham gia vào nghiên cứu này.

Dưới sự chỉ đạo của giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu John Forsythe, đội ngũ Monash mô tả thí nghiệm của họ vào tháng 6 trong Vật liệu Chăm sóc Sức khỏe Tiên tiến. Giống như cách máy in phun mực đưa mực từ hộp mực đến tờ giấy, đội ngũ của Forsythe in cấu trúc thần kinh bằng cách ép “mực sống” - tế bào não chuột treo lơ lửng trong gel - ra khỏi một ống và vào một kết cấu. Họ xây dựng các mạng thần kinh của họ bằng cách vẽ lưới chéo từng lớp, xếp chồng tám lớp dọc xen kẽ giữa mực có tế bào và không có tế bào. (Những mực sống này được đẩy ra từ các hộp mực khác nhau, giống như chuyển đổi giữa mực đen và màu.) Cấu trúc này cho phép tế bào dễ dàng tiếp cận dưỡng chất trong gel và đồng thời mô phỏng sự xen kẽ giữa chất xám và chất trắng ở vỏ não, nơi chất xám chứa cơ thể tế bào neuron và chất trắng chứa các sợi dài nối chúng.

Hợp tác với Helena Parkington, một nhà sinh lý học tại Đại học Monash, đội ngũ đã tạo ra các mô não không chỉ chứa tế bào neuron mà còn cả astrocytes, oligodendrocytes và microglia giúp tế bào neuron duy trì sức khỏe và hình thành kết nối. Khi chúng trưởng thành, những tế bào neuron in 3D đã mọc các sợi dài qua các lớp không có tế bào để kết nối với các tế bào khác, giúp chúng giao tiếp với nhau qua các lớp giống như trong vỏ não.

Một mảng siêu nhỏ của các microelectrode đặt dưới tế bào ghi lại hoạt động điện của gel xung quanh tế bào, trong khi các điện cực khác kích thích trực tiếp các neuron và ghi lại phản ứng của chúng. Sử dụng một chất nhuộm phát quang để hình dung chuyển động của ion canxi dưới kính hiển vi, nhóm nghiên cứu đã có thể theo dõi cách các tế bào truyền thông hóa học. “Chúng đã hoạt động như chúng ta mong đợi,” Forsythe nói. “Không có bất ngờ nào.”

Mặc dù có thể không bất ngờ khi những neuron này hoạt động như, có thể nói, những neuron, nhưng đó là một vấn đề lớn. Khi nói đến các ứng dụng y sinh học tiềm năng như phát hiện thuốc và nghiên cứu về các bệnh thoái hóa thần kinh, mạng neuron chỉ có giá trị khi chúng hoạt động.

Điều đó bắt đầu bằng việc đảm bảo bạn không giết chết các tế bào khi bạn in chúng. Khi máy in 3D tiêu chuẩn làm việc với sợi nhựa, chúng làm tan nhựa để làm cho nó có thể định hình, nung nó lên ở nhiệt độ xa hơn rất nhiều so với nhiệt độ tìm thấy trong cơ thể người. Đối với các neuron, điều này là một điều không thể, vì chúng chỉ có thể sống sót trong gel được hiệu chỉnh cẩn thận, gần giống với các đặc tính của não có nhiệt độ cơ thể mềm mại. “Làm một gel mềm như não, nhưng bạn vẫn có thể in qua máy in 3D, thật sự rất khó,” Moore nói.

“Quan trọng là không giết chết các tế bào. Nhưng với neuron, quan trọng là không giết chết hoạt động điện của bạn,” thêm vào Stephanie Willerth, giáo sư kỹ thuật y sinh tại Đại học Victoria ở Canada, người không tham gia vào nghiên cứu này. Các phiên bản trước của mô thần kinh in 3D thường loại trừ tế bào glial, giúp duy trì môi trường thân thiện cho các tế bào neuron nhạy cảm của họ. Thiếu chúng, “Neuron vẫn có một số hoạt động điện, nhưng nó sẽ không hoàn toàn sao chép những gì bạn thấy trong cơ thể,” cô nói.

Willerth cho rằng thí nghiệm mới hứa hẹn. Những mạng neuron này được tạo ra từ tế bào chuột, nhưng “đó là một bằng chứng cho thấy bạn có thể cuối cùng làm điều này với tế bào người,” Willerth nói. Tuy nhiên, các thí nghiệm tương lai sẽ cần sao chép cấp độ chức năng này trong tế bào người trước khi các mô hình mạng neuron này có thể được sử dụng trong nghiên cứu chuyển giao và y học. 

Cũng có vấn đề về quy mô. Các mô in ở thí nghiệm Monash chứa một vài nghìn neuron trên mỗi millimet vuông, đạt một vài trăm nghìn tế bào trong mỗi cấu trúc 8 x 8 x 0,4 mm. Nhưng não người có khoảng 16 tỷ neuron chỉ trong vỏ não, chưa kể hàng tỷ tế bào glial khác.

Như Moore chỉ ra, in 3D mô mềm nhạy cảm như vậy là tương đối chậm, ngay cả khi sản phẩm cuối cùng rất nhỏ. Cần phải làm thêm nhiều công việc trước khi phương pháp chính xác nhưng chậm chạp này có thể được mở rộng từ phòng thí nghiệm nghiên cứu học thuật đến Big Pharma, nơi các công ty thường thử nghiệm hàng chục loại thuốc cùng một lúc. “Nó không phải là không thể,” Moore nói. “Chỉ là sẽ khó khăn.” (AxoSim, một công ty khởi nghiệp về kỹ thuật não học do Moore đồng sáng lập, đã bắt đầu xây dựng mô hình 3D của neuron và dây thần kinh ngoại vi của con người cho kiểm tra thuốc thương mại.)

Trong khi công nghệ này có khả năng thay thế động vật trong nhiều môi trường nghiên cứu, từ sinh học cơ bản đến phát triển thuốc thương mại, các nhà khoa học có thể chần chừ chuyển đổi. Thường, Moore phát hiện, các nhà khoa học như ông ta “bị kẹt trong cách thức của chúng ta,” không chịu đầu tư thời gian, tiền bạc và nỗ lực để rời xa khỏi các mô hình động vật đã được thử nghiệm và đúng. “Thuyết phục các nhà khoa học từ bỏ những phương pháp đó để chuyển sang mô mềm được kỹ thuật làm sẽ mất thời gian,” ông nói, “nhưng tôi rất lạc quan rằng chúng ta sẽ dần giảm số lượng nghiên cứu trên động vật.”

Khi đối mặt với cấu trúc giống não, người ta không thể không nghĩ đến … suy nghĩ. Mặc dù các nhà nghiên cứu vẫn chưa có cách tốt để định nghĩa hoặc đo lường ý thức trong các mạng neuron được nuôi trong phòng thí nghiệm, “có khả năng tạo ra các mạng neuron nhân tạo sống bằng cách sử dụng kỹ thuật này,” Forsythe nói. Năm ngoái, một nhóm nhà khoa học đã sử dụng kích thích điện và ghi lại để kết nối một đĩa petri chứa các neuron với máy tính, nơi chúng dường như đã học chơi Pong chỉ trong khoảng năm phút. Một số người, như Thomas Hartung tại Đại học Johns Hopkins, tin rằng các mạng neuron 3D sẽ hội nhập với trí tuệ nhân tạo để tạo ra “trí tuệ cơ quan” mà các nhà nghiên cứu sẽ một ngày có thể kiểm soát cho tính toán sinh học.

Trong tương lai gần hơn, Forsythe và đội ngũ của anh ta hy vọng xem cách mạng neuron in của họ đối mặt với áp lực. Hiểu rõ mức độ mà những mô này có thể tái tạo sau khi bị tổn thương tế bào sẽ khám phá ra những gợi ý quan trọng về khả năng tự lành của não sau chấn thương. Một ngày nào đó, Forsythe tin rằng mọi người có thể nhận được các liệu pháp cá nhân hóa cho các bệnh thoái hóa thần kinh và các chấn thương não khác, dựa trên các mô hình của mô neuron riêng của họ. Willerth tưởng tượng rằng các bệnh viện sẽ tổ chức các bộ phận in 3D, nơi các bác sĩ trong tương lai sẽ có thể sử dụng các mẫu sinh thiết của bệnh nhân để in các mô có thể được sử dụng để kiểm tra liệu một loại thuốc cụ thể có thực sự hiệu quả với họ hay không. “Nó đặt nền tảng cho loại y học cá nhân đó,” cô nói. “Những bài báo như thế này sẽ đẩy nó tiến lên.”

Việc phát triển các phương pháp điều trị não cá nhân hóa sẽ không phải là một chiến công nhỏ, nhưng cộng đồng nghiên cứu đang trên đúng đường. “Chúng ta đang từng bước tiến gần việc thực hiện các thí nghiệm không yêu cầu sự sử dụng động vật trong cơ quan phức tạp nhất mà chúng ta biết đến,” Moore nói. “Có lẽ là cấu trúc phức tạp nhất trong toàn bộ vũ trụ.”