การเพาะเลี้ยงเซลล์แบบชั้นเดียวมีการใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นทางเลือกแทนแบบจำลองของสัตว์เพื่อตรวจสอบผลกระทบของยาในสมอง แต่ข้อดีที่โมเดล 2 มิติดังกล่าวมีในแง่ของความเรียบง่ายและการเข้าถึงได้นั้นสมดุลกันด้วยข้อบกพร่องที่สำคัญบางประการ โครงข่ายประสาทเทียมในวัฒนธรรม 2 มิติตอบสนองต่อสิ่งเร้าต่างกันเมื่อเทียบกับโครงสร้างทางสรีรวิทยา 3 มิติที่พวกเขาตั้งเป้าเลียนแบบ
เซลล์ในการเพาะเลี้ยงแบบ 2 มิติยังคงทำงานได้เพียงช่วงเวลาสั้นๆ
เนื่องจากสารอาหารไม่สามารถแทรกซึมเข้าสู่ภายในของวัฒนธรรมได้เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ นักวิจัยในจีนและสหรัฐอเมริกาได้สาธิตโครงสร้างเนื้อเยื่อ 3 มิติที่ค้ำจุนประชากรของเซลล์ประสาทเป็นเวลาสี่สัปดาห์ ทีมงานใช้ bioink ที่บรรจุเซลล์เพื่อพิมพ์สแต็คของชั้นรูปตารางสามชั้นบนอาร์เรย์ของอิเล็กโทรด ช่องว่างระหว่างและภายในแต่ละชั้นช่วยให้สารอาหารไปถึงเซลล์ได้ ในขณะที่อาร์เรย์ของอิเล็กโทรดวัดสัญญาณอิเล็กโทรฟิสิกส์ของเซลล์ โครงสร้างดังกล่าวทำซ้ำ วงจรประสาท ในร่างกายได้อย่างแม่นยำและยาวนานกว่าการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบ 2 มิติ ทำให้เป็นแบบจำลองที่ดีกว่าสำหรับการทดสอบยาและการศึกษาพลวัตของโครงข่ายประสาทเทียม
ในการสร้างแบบจำลอง 3 มิติ Yu Song, Ting Zhang และเพื่อนร่วมงานที่ห้องปฏิบัติการหลัก Biomanufacturing and Rapid Forming Technology Key Laboratory ของปักกิ่งที่มหาวิทยาลัย Tsinghuaได้ระงับเซลล์ประสาทของหนูในสารละลายของเจลาติน อัลจิเนต และไฟบริโนเจน ด้วยการผสมผสานที่เหมาะสมของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางหัวฉีดและอัตราการไหล พวกเขาพบว่า 85% ของเซลล์ในไบโอหมึกรอดจากกระบวนการพิมพ์ นักวิจัยยังได้เปลี่ยนสัดส่วนของส่วนประกอบ bioink เพื่อให้โครงสร้างที่พวกเขาสร้างขึ้น – ตารางสามตารางสี่เหลี่ยมแต่ละอันหนา 0.5 มม. และกว้าง 8 มม. – มีคุณสมบัติเชิงกลคล้ายกับเนื้อเยื่อสมองที่มีชีวิต
ภาพประกอบของขั้นตอนการทดลอง
ในแบบจำลอง 3 มิติ เซลล์ปฐมภูมิ (ที่รวบรวมจากหนู) จะถูกผสมกับวัสดุที่เข้ากันได้ทางชีวภาพเพื่อสร้างหมึกชีวภาพ จากนั้นพิมพ์บนจานเพาะเชื้อสำหรับการถ่ายภาพหรืออาร์เรย์อิเล็กโทรดขนาด 4×4 สำหรับการบันทึกทางไฟฟ้าฟิสิกส์ ตัวอย่าง 2D ถูกใช้เป็นตัวควบคุม
หนึ่งสัปดาห์หลังจากการพิมพ์ เซลล์เกือบทั้งหมดในโครงสร้างยังมีชีวิตอยู่ และเริ่มขยายนิวริไทต์เพื่อสร้างเครือข่าย ตัวอย่างการควบคุม 2 มิติ ณ จุดเดียวกันได้สูญเสียเซลล์ไปแล้วมากกว่าหนึ่งในสี่ อัตราการตายของเซลล์ในการเพาะเลี้ยงแบบ 2 มิติยังคงดำเนินต่อไปเรื่อยๆ จนกระทั่งสิ้นสุดการทดลองสี่สัปดาห์หลังการพิมพ์ ซึ่งจุดที่เซลล์นั้นยังมีชีวิตน้อยกว่า 25% ในทางตรงกันข้าม โครงสร้าง 3 มิติ เซลล์มากกว่าสามในสี่รอดชีวิตมาได้จนถึงการวัดขั้นสุดท้าย
หลังจากเพาะเลี้ยงเซลล์เป็นเวลาสี่สัปดาห์ Song และเพื่อนร่วมงานได้วัดปริมาณกิจกรรมของระบบประสาทในทั้งสองวัฒนธรรมโดยการวัดศักย์ไฟฟ้า postsynaptic (EPSPs) ที่กระตุ้น พวกเขากระตุ้นและตรวจจับสัญญาณไฟฟ้าเหล่านี้โดยใช้อิเล็กโทรดขนาด 4 × 4 ที่วางอยู่ใต้แต่ละวัฒนธรรม แอมพลิจูดของ EPSP ในโครงสร้าง 3 มิตินั้นใหญ่กว่าในวัฒนธรรม 2 มิติ ซึ่งนักวิจัยระบุว่าโครงสร้างที่พิมพ์ออกมานั้นมีสัดส่วนที่มากขึ้นของเซลล์ที่รอดตายและการเชื่อมต่อที่ดีขึ้น
EPSP เหล่านี้ลดลงเหลือศูนย์เมื่อทีมงานผสมโครงสร้าง 3 มิติด้วย
tetrodotoxin (TTX) ซึ่งเป็นสารพิษในระบบประสาทที่ยับยั้งการส่งผ่านโซเดียมไอออนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ ความเร็วที่ TTX แพร่กระจายผ่านการเพาะเลี้ยงและปิดการทำงานของเซลล์ แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างมีความไวสูงต่อผลกระทบของสารดังกล่าว ซึ่งบ่งชี้ถึงความเหมาะสมในการใช้เป็นแบบจำลองสำหรับการใช้งานในการตรวจคัดกรองยา
Wei Sunผู้อำนวยการ Biomanufacturing Center ที่มหาวิทยาลัย Tsinghua กล่าวว่า “งานที่กำลังดำเนินการอยู่ของเรารวมถึงการศึกษาว่ายาในระบบประสาทที่มีโครงสร้างโมเลกุลต่างกันกระจายตัวด้วยความเร็วต่างกันอย่างไรในแบบจำลองที่พิมพ์ออกมา. “เรายังสนใจที่จะพิมพ์สเต็มเซลล์เพื่อสร้างแบบจำลองสมองเพื่อศึกษาพัฒนาการทางระบบประสาท และรวมเอาแบบจำลองสมองที่พิมพ์ออกมากับไมโครฟลูดิกส์เพื่อสร้างอุปกรณ์ ‘brain-on-a-chip’”
ในแง่บวกอีกประการหนึ่งคือเทคโนโลยีสามารถปรับให้เข้ากับมาตราส่วนต่างๆ ได้อย่างง่ายดาย Li กล่าวเสริม “มันสามารถทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เย็นลงได้หลายมิลลิเมตร หลายร้อยตารางเมตรสำหรับอาคาร หรือแม้แต่ขนาดใหญ่กว่าสำหรับการทำความเย็นแบบพาสซีฟของฟาร์มเซลล์แสงอาทิตย์ขนาดอุตสาหกรรม”
ในโลกที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในปัจจุบัน เรากำลังยกระดับเทคโนโลยีที่มีอยู่และพัฒนาเทคโนโลยีใหม่อย่างต่อเนื่อง ทว่าพื้นฐานของเทคโนโลยีที่ก้าวหน้าหลายอย่างนั้นอยู่ในหลักการพื้นฐานของฟิสิกส์ ตัวอย่างหนึ่งคือปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ ซึ่งระบุว่าความถี่ของคลื่นเปลี่ยนแปลงเมื่อแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่สัมพันธ์กับผู้สังเกต ตัวอย่างเช่น เครื่องยนต์ของรถยนต์มีเสียงที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับว่ากำลังเข้าใกล้เราหรือกำลังถอย ในทำนองเดียวกัน แสงจากวัตถุทางดาราศาสตร์ที่เคลื่อนที่เข้าหาเรานั้นเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงิน ในขณะที่แสงจะเปลี่ยนเป็นสีแดงจากวัตถุที่เคลื่อนที่ออกไป
เอฟเฟกต์ Doppler ยังมีบทบาทสำคัญในการกำหนดขอบเขตที่สอดคล้องกัน ซึ่งเป็นเทคนิคที่พัฒนาขึ้นสำหรับการตรวจจับระยะทางและความเร็วสามมิติในระยะยาวในการขับขี่แบบอัตโนมัติ การตรวจวัดระยะที่เชื่อมโยงกัน หรือที่เรียกว่าการตรวจจับแสงด้วยคลื่นความถี่ต่อเนื่องแบบปรับความถี่ (FMCW) และการกำหนดระยะ (lidar) ทำงานโดยการวัดการเลื่อน Doppler ของแสงเลเซอร์ที่สะท้อนอย่างสอดคล้องกัน จึงป้องกันการรบกวนจากแสงแดดและระบบไลดาร์อื่นๆ
การตรวจจับที่สอดคล้องกันช่วยเพิ่มความละเอียดของระยะทาง ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการขับขี่อัตโนมัติ แต่การปรับปรุงมักมีค่าใช้จ่าย ช่วงที่สอดคล้องกันส่งผลให้ได้ความเร็วต่ำและต้องใช้แหล่งกำเนิดเลเซอร์ที่มีความสอดคล้องกันสูง เช่นเดียวกับแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ที่แม่นยำ อุปสรรคสำคัญอีกประการหนึ่งที่ต้องเอาชนะคือความสามารถทางเทคนิคในการควบคุมเลเซอร์แบบคล่องตัวที่มีความถี่ในแนวแคบจำนวนมากได้อย่างแม่นยำซึ่งใช้ใน FMCW lidar แบบคู่ขนาน
Credit : experiencethejoy.net expertlistbuilding.com fairytalefavors.net fioredicappero.com forumperekur.com
