Wissenschaftler bauen das erste funktionelle 3D-Gehirngewebemodell

Um ein besseres Verständnis des menschlichen Gehirns zu erreichen, haben die Forscher lange nach einer Lösung gesucht, die sich angesichts der Komplexität des Organs und der Herausforderungen bei der Untersuchung seiner Physiologie in einem lebenden Körper als schwierig herausgestellt hat. Jetzt haben Forscher von der Tufts University in Medford, MA, ein 3D-Gewebemodell erstellt, das Gehirnfunktionen nachahmen kann.
Dieses Mikroskopbild zeigt Neuronen (gelb), die an dem auf Seide basierenden Gerüst (blau) angeheftet sind.
Bildnachweis: Tufts University

Das Forscherteam, darunter der leitende Autor David Kaplan, PhD, Professor an der Sternwarte und Professor für Biomedizintechnik an der Tufts School of Engineering, sagt, dass das Modell den Weg für neue Studien über Hirnfunktionen, Verletzungen, Krankheiten und Behandlungen ebnet.

Sie haben kürzlich ihre Ergebnisse in veröffentlicht Die Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS).

Um die Funktion von Gehirnneuronen zu untersuchen, züchten Forscher sie derzeit in Petrischalen. Aber die komplizierte Struktur des Hirngewebes - die aus segregierten Bereichen der grauen und weißen Substanz besteht - kann mit diesen 2D-Neuronen nicht dupliziert werden.

Graue Materie besteht hauptsächlich aus Neuronenzellkörpern und weiße Substanz besteht aus Bündeln von Nervenfasern oder Axonen. Diese Axone sind verantwortlich für die Übertragung von Signalen zwischen Neuronen.

Wenn das Gehirn einem Schaden oder einer Krankheit ausgesetzt ist, wird die graue und weiße Substanz auf unterschiedliche Weise beeinflusst, was bedeutet, dass ein Hirngewebemodell benötigt wird, mit dem jeder dieser Bereiche separat untersucht werden kann.

"Es gibt wenige gute Möglichkeiten, die Physiologie des lebenden Gehirns zu untersuchen, doch ist dies vielleicht einer der größten Bereiche mit ungedecktem klinischem Bedarf, wenn man die Notwendigkeit neuer Optionen zum Verständnis und zur Behandlung einer Vielzahl neurologischer Erkrankungen im Zusammenhang mit dem Gehirn in Betracht zieht ", sagt Kaplan.

Wissenschaftler haben kürzlich versucht, funktionelles Hirngewebe zu schaffen, indem sie Neuronen in 3D-Kollagen-Gel-Nur-Umgebungen wachsen ließen, aber ohne Erfolg. Solche Modelle sind schnell abgestorben und konnten keine ausreichend starke Funktion auf Gewebeebene erzeugen.

Aber das Tufts-Team hat einen Weg gefunden, um funktionales 3D-gehirnähnliches Gewebe zu schaffen, das nicht nur segregierte graue und weiße Bereiche enthält, sondern auch mehr als 9 Wochen leben kann.

Wie wurde das 3D-Gehirngewebe erstellt?

Zuerst kombinierten Kaplan und Kollegen zwei Biomaterialien: ein Seidenprotein und ein Kollagen-basiertes Gel. Das Seidenprotein fungierte als ein schwammiges Gerüst, an dem Neuronen anhafteten, während das Gel das Nervenfaserwachstum förderte.

Die Forscher schnitten dann das Schwammgerüst in die Form eines Doughnuts und besiedelten es mit Rattenneuronen, bevor sie die Mitte des Doughnuts mit dem Gel auf Kollagenbasis füllten, das das ganze Gerüst infiltrierte.

Das Team fand heraus, dass die Neuronen in nur wenigen Tagen funktionsfähige Netzwerke um die Gerüstausgänge bildeten und Nervenfasern durch das Gel in der Mitte des Doughnuts hindurchgingen, um sich mit Neuronen auf der anderen Seite zu verbinden. Dies erzeugte separate graue und weiße Materiebereiche.

Die Forscher führten dann eine Reihe von Experimenten an dem 3D-Gehirn-ähnlichen Gewebe durch, um die Gesundheit und Funktion seiner Neuronen zu prüfen und sie mit Neuronen zu vergleichen, die mit der existierenden 2D-Methode oder in einer Nur-Gel-Umgebung gezüchtet wurden.

Kaplan und Kollegen fanden eine höhere Expression von Genen, die am Wachstum und der Funktion von Neuronen im 3D-Gehirngewebe beteiligt sind.

Die in dem 3D-ähnlichen Hirngewebe gewachsenen Neuronen zeigten eine stabile metabolische Aktivität für fast 5 Wochen, während eine solche Aktivität in Neuronen, die in einer Nur-Gel-Umgebung gezüchtet wurden, innerhalb von 24 Stunden zu verblassen begann. Darüber hinaus wurde eine elektrische Aktivität und Reaktionsfähigkeit ähnlich der im intakten Gehirn in den 3D-Gehirn-ähnlichen Gewebe-Neuronen gesehen.

Rosemarie Hunziker, PhD, Programmdirektorin für Tissue Engineering am National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, die die Studie finanzierte, kommentiert:

"Diese Arbeit ist eine außergewöhnliche Leistung. Sie kombiniert ein tiefes Verständnis der Gehirnphysiologie mit einer großen und wachsenden Reihe von biotechnologischen Werkzeugen, um eine Umgebung zu schaffen, die sowohl notwendig als auch ausreichend ist, um die Gehirnfunktion nachzuahmen."

Modell könnte Studien über Hirnfunktion, Verletzung und Krankheit verbessern

Als das 3D-Gehirn-ähnliche Gewebe funktional erschien, wollte das Team sehen, ob sein Modell für die Untersuchung von Schädel-Hirn-Trauma (TBI) nützlich sein könnte.

Sie simulierten einen TBI, indem sie Gewichte aus verschiedenen Höhen auf das Modell fallen ließen. Sie fanden heraus, dass sich die chemische und elektrische Aktivität in den Neuronen des Gewebes im Anschluss an TBI verändert hat, was den Forschern zufolge Beobachtungen ähnelt, die in Tierstudien über TBI berichtet wurden.

Laut Kaplan zeigt dieses Ergebnis, dass das 3D-Gehirn-ähnliche Gewebemodell eine effektivere Methode zur Untersuchung von Hirnverletzungen bieten könnte.

"Mit dem System, das wir haben, können Sie die Gewebeantwort auf traumatische Hirnverletzungen in Echtzeit verfolgen", erklärt er. "Am wichtigsten ist, dass Sie auch die Reparatur verfolgen können und was über längere Zeiträume geschieht."

Aber die Vorteile dieses Modells hören hier nicht auf. Kaplan stellt fest, dass das hirnartige Gewebe mehr als 2 Monate überlebt hat. Dies bedeutet, dass es den Forschern einen besseren Einblick in eine Reihe von Erkrankungen des Gehirns ermöglichen könnte:

"Die Tatsache, dass wir dieses Gewebe monatelang im Labor halten können, bedeutet, dass wir neurologische Erkrankungen auf eine Weise untersuchen können, die Sie sonst nicht können, weil Sie lange Zeiträume benötigen, um einige der wichtigsten Hirnerkrankungen zu untersuchen."

"Gute Modelle ermöglichen solide Hypothesen, die gründlich getestet werden können.Die Hoffnung ist, dass die Verwendung dieses Modells zu einer Beschleunigung der Therapien für Hirnfunktionsstörungen führen und eine bessere Möglichkeit bieten könnte, die normale Gehirnphysiologie zu studieren ", fügt Hunziker hinzu.

Die Forscher sagen, dass sie nun planen, das Modell zu optimieren, um es dem Gehirn noch ähnlicher zu machen. Sie haben bereits herausgefunden, dass sie das Donut-Gerüst so einstellen können, dass es sechs Ringe enthält, von denen jeder mit verschiedenen Neuronen besiedelt werden kann. Dies, so das Team, würde die sechs Schichten des Cortex des menschlichen Gehirns simulieren.

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