Nieuwe imagingtool brengt hersenactiviteit gedetailleerd in beeld
Wetenschappers van het Max Planck Florida Institute for Neuroscience (MPFI) hebben samen met ZEISS en MetaCell een nieuwe beeldvormingstechniek ontwikkeld waarmee hersenactiviteit op veel gedetailleerder niveau kan worden gevolgd. De methode, Neuroplex genaamd, maakt het mogelijk om tegelijkertijd de activiteit van maximaal negen verschillende typen hersencellen te registreren in vrij bewegende muizen.
De techniek moet onderzoek naar hersenfuncties versnellen en kan nieuwe inzichten opleveren in complexe neurale netwerken. De resultaten zijn gepubliceerd in eLife.
Beperkingen van bestaande methoden
Neurowetenschappers gebruiken al langer zogenoemde miniscopen: kleine microscopen die op het hoofd van proefdieren worden geplaatst om hersenactiviteit tijdens gedrag te meten. Deze systemen kunnen echter nauwelijks onderscheid maken tussen verschillende typen neuronen.
Volgens hoofdonderzoeker Mary Phillips vormde dat een belangrijke beperking. Onderzoekers moesten experimenten vaak meerdere keren herhalen, telkens met een ander gelabeld celtype. Dat maakte studies tijdrovend en minder betrouwbaar.
Alternatieve technieken boden wel meer detail, maar maakten het moeilijk om veranderingen in hersenactiviteit over langere tijd te volgen.
Combinatie van beeldvormingstechnieken
Neuroplex combineert daarom twee complementaire technieken in hetzelfde levende dier. Onderzoekers labelen verschillende neuronale populaties eerst met fluorescerende kleurcodes. Vervolgens registreert een miniscope de hersenactiviteit terwijl het dier vrij beweegt.
Daarna wordt dezelfde hersenregio opnieuw in beeld gebracht met een confocale microscoop, die de kleurcodes van verschillende celtypen kan onderscheiden. Met behulp van speciaal ontwikkelde software worden beide datasets vervolgens nauwkeurig gecombineerd.
Volgens medeonderzoeker Zhe Dong maakt dit het mogelijk om activiteitspatronen direct te koppelen aan specifieke typen neuronen.
Longitudinaal hersenonderzoek
Als proof-of-principle richtte het team zich op de mediale prefrontale cortex, een hersengebied dat betrokken is bij besluitvorming. De onderzoekers volgden negen verschillende neurale circuits tijdens sociaal gedrag van muizen. Ongeveer 75 procent van de actieve neuronen kon worden toegewezen aan een specifiek celtype, met een nauwkeurigheid van zo’n 90 procent. Volgens senior onderzoeker Ryohei Yasuda verhoogt dat de efficiëntie en betrouwbaarheid van neurowetenschappelijk onderzoek aanzienlijk.
Omdat Neuroplex volledig in levende dieren wordt toegepast, kunnen onderzoekers dezelfde neuronen bovendien langdurig volgen. Dat opent mogelijkheden voor studies naar leren, veroudering en neurodegeneratieve aandoeningen..
(Link)
AI voorspelt beroerterisico via standaard hartfilmpje
Een nieuw AI-model kan op basis van een standaard elektrocardiogram (ECG) het risico op een beroerte tot tien jaar vooruit voorspellen. Het model, ECG2Stroke genaamd, gebruikt uitsluitend gegevens uit een hartfilmpje, gecombineerd met leeftijd en geslacht van de patiënt.
Volgens onderzoekers van Mass General Brigham en het Broad Institute kan de technologie bijdragen aan vroegtijdige opsporing van patiënten met een verhoogd risico op beroertes, zonder complexe risicoberekeningen of aanvullende diagnostiek. De resultaten zijn gepubliceerd in het Journal of the American College of Cardiology (JACC).
Subtiele patronen in hartfilmpjes
Een ECG is een veelgebruikte, relatief goedkope en niet-invasieve methode om de elektrische activiteit van het hart te meten. Het deep learning-model analyseert subtiele patronen in de geregistreerde golfvormen die mogelijk samenhangen met een verhoogd beroerterisico.
Voor de ontwikkeling van ECG2Stroke gebruikten de onderzoekers gegevens van meer dan 200.000 patiënten van Massachusetts General Hospital, Brigham and Women’s Hospital en Beth Israel Deaconess Medical Center.
Volgens neuroloog Rahul Mahajan zijn bestaande methoden om beroerterisico’s te bepalen vaak moeilijk schaalbaar in de dagelijkse praktijk. “De huidige tools om vast te stellen welke patiënten het grootste risico op een beroerte lopen, vereisen vaak omslachtige berekeningen van klinische scores.”
De studie laat zien dat ECG2Stroke vergelijkbare prestaties behaalt als bestaande klinische risicoscores, terwijl het eenvoudiger toepasbaar is binnen reguliere zorgprocessen.
Nauwkeurig voorspellen
Het model bleek vooral nauwkeurig in het voorspellen van zogenoemde cardio-embolische beroertes. Daarbij ontstaan bloedstolsels in het hart die vervolgens naar de hersenen migreren. Deze vorm van beroerte is vaak te voorkomen met bloedverdunners, mits patiënten tijdig worden geïdentificeerd.
Opvallend is dat afwijkingen in de atria, de bovenste hartkamers, een belangrijke rol speelden in de voorspellingen van het AI-model. Dat kan volgens de onderzoekers nieuwe inzichten opleveren in de relatie tussen hartritmestoornissen en beroertes.
Gerichtere preventie
Cardioloog Shaan Khurshid benadrukt dat vervolgonderzoek nodig blijft voordat de technologie breed klinisch inzetbaar wordt. Prospectieve praktijkstudies moeten uitwijzen of het model daadwerkelijk kan bijdragen aan betere preventie.
Volgens de onderzoekers kan ECG2Stroke uiteindelijk helpen om patiënten gerichter te selecteren voor intensieve monitoring of preventieve behandeling, terwijl AI tegelijkertijd nieuwe patronen zichtbaar maakt binnen cardiovasculaire zorg en beroertepreventie.
(Link)
3D-geprinte organoïden versnellen onderzoek naar darmziekten
Het Cincinnati Children’s Hospital Medical Center heeft een nieuwe methode bedacht om grotere en complexere menselijke darmorganoïden te produceren met behulp van 3D-geprinte kweekstructuren. De mini-darmen ontwikkelen daarbij zelfstandig functionele zenuwcellen, een belangrijke stap richting realistischer darmmodellen voor onderzoek en regeneratieve geneeskunde.
De technologie kan toepassingen krijgen in medicijnontwikkeling, ziekteonderzoek en uiteindelijk mogelijk ook transplantatiegeneeskunde. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Nature Biomedical Engineering.
Gecontroleerde groeiomgeving
Organoïden zijn miniatuurversies van menselijke organen die uit stamcellen worden gekweekt. Ze worden al langer gebruikt voor fundamenteel onderzoek en het testen van geneesmiddelen, maar het opschalen naar grotere en functionele weefsels vormt een uitdaging.
Het betrokken onderzoeksteam ontwikkelde daarom een zogenoemd “confined culture system” (CCS). Daarbij worden met 3D-printtechnologie speciale trays gemaakt van chirurgisch harsmateriaal en siliconen. In smalle groeven worden bolvormige organoïden dicht naast elkaar geplaatst.
Die gecontroleerde omgeving stimuleert de afzonderlijke structuren om samen te smelten tot grotere, buisvormige darmweefsels. Binnen zes dagen vormen de losse organoïden één geheel, waarna verdere groei plaatsvindt in een hydrogelomgeving.
Volgens de onderzoekers bereikt het systeem in veertien dagen hetzelfde ontwikkelingsniveau waarvoor eerdere methoden ongeveer 28 dagen nodig hadden.
Zelfontwikkelende zenuwcellen
Een opvallende doorbraak is dat de nieuwe organoïden zelfstandig functionele zenuwcellen ontwikkelen. Bij eerdere technieken moesten deze apart worden toegevoegd via complexe laboratoriumprocedures.
De onderzoekers produceerden darmweefsel dat qua neuromusculaire eigenschappen sterk lijkt op menselijk darmweefsel. Na transplantatie in genetisch aangepaste ratten groeide het weefsel door tot stukken dunne darm van maximaal acht centimeter lang. Met eerdere protocollen bleef dat beperkt tot ongeveer één centimeter.
Volgens onderzoeker Maxime Mahe benut het systeem het natuurlijke zelforganiserende vermogen van cellen, waardoor structuren ontstaan die sterker overeenkomen met het menselijke maag-darmkanaal.
Richting regeneratieve geneeskunde
De technologie kan op termijn relevant worden voor patiënten met ernstige darmproblemen of beschadigd darmweefsel. Onderzoekers werken al langer aan transplantabele organoïden die functies van de dunne darm, maag of dikke darm kunnen herstellen.
Daarnaast bieden grotere en complexere organoïden nieuwe mogelijkheden voor medicijnonderzoek en gepersonaliseerde behandelingen. Omdat de mini-organen realistischer functioneren dan eerdere modellen, kunnen onderzoekers nauwkeuriger bestuderen hoe ziekten ontstaan en hoe geneesmiddelen darmweefsel beïnvloeden.
Hoewel verdere studies nodig blijven, zien de onderzoekers het platform als een belangrijke stap richting schaalbare en klinisch toepasbare organoïde-geneeskunde.
(Link)
Slimme exosomen voor gerichte hart- en kankertherapie
Microscopisch kleine biologische blaasjes kunnen medicijnen gericht naar specifieke plekken in het lichaam transporteren. De methode, ontwikkeld door onderzoekers van de University of Central Florida, moet behandelingen voor onder meer hartziekten en kanker effectiever maken en tegelijkertijd bijwerkingen verminderen.
De technologie gebruikt zogenoemde exosomen: kleine blaasjes die van nature door cellen worden uitgescheiden om biologisch materiaal en signalen uit te wisselen. Volgens de onderzoekers kunnen deze exosomen worden aangepast tot gerichte transportsystemen voor therapeutische stoffen.
Gerichte medicijnafgifte
Het onderzoeksteam ontwikkelde een methode om medicijnen in exosomen te verpakken en ze vervolgens te voorzien van biologische markers. Daardoor kunnen de blaasjes specifieke weefsels of organen gericht bereiken.
Volgens onderzoeker Dinender Singla functioneren de exosomen als “slimme microbubbels” die medicijnen afleveren op de plek waar ze nodig zijn. Dat kan relevant zijn bij aandoeningen waarbij geneesmiddelen nu vaak in hoge doseringen worden toegediend zonder zekerheid dat ze effectief de juiste locatie bereiken.
De onderzoekers hopen dat gerichte medicijnafgifte de effectiviteit van therapieën verhoogt en tegelijkertijd de belasting voor het lichaam verlaagt.
Bescherming van hartweefsel
Een belangrijk onderzoeksgebied richt zich op schade aan het hart door kankerbehandelingen zoals chemotherapie en bestraling. Het team ontwikkelde exosomen die ontstekingsremmende medicatie rechtstreeks naar beschadigd hartweefsel kunnen brengen.
Daarnaast onderzoeken de wetenschappers toepassingen waarbij kankerremmende medicijnen gericht aan tumoren worden toegediend. In laboratoriumstudies naar triple-negatieve borstkanker bleek de therapie kankercellen effectief te kunnen doden met lagere doseringen dan traditionele chemotherapie, terwijl tegelijkertijd minder schade aan het hart leek op te treden.
Vervolgonderzoek nodig
De technologie bevindt zich nog in een vroege onderzoeksfase. Verdere validatie en klinische studies zijn nodig om veiligheid en effectiviteit bij mensen vast te stellen.
Volgens de onderzoekers laat het project vooral zien hoe biomedische technologie en gerichte medicijnafgifte steeds sterker samenkomen binnen de ontwikkeling van precisiegeneeskunde en regeneratieve therapieën.
(Link)
Zacht implantaat beïnvloedt bloeddruk via zenuwstelsel
Een flexibel bio-elektronisch implantaat kan mogelijk een nieuwe behandeling bieden voor patiënten met therapieresistente hoge bloeddruk. Het systeem, CaroFlex genaamd, wordt rond een belangrijke slagader geplaatst en gebruikt milde elektrische stimulatie om de bloeddruk te verlagen.
Volgens de betrokken onderzoekers van Penn State University kan de technologie op termijn een alternatief vormen voor patiënten bij wie medicijnen onvoldoende effect hebben. De resultaten staan in het wetenschappelijke tijdschrift Device.
Elektronische beïnvloeding van bloeddruk
Hoge bloeddruk is wereldwijd een belangrijke risicofactor voor hart- en vaatziekten. Hoewel veel patiënten behandeld kunnen worden met medicijnen en leefstijlaanpassingen, reageert een deel onvoldoende op bestaande therapieën.
De onderzoekers richtten zich daarom op de zogenoemde baroreflex: een natuurlijk mechanisme waarmee het lichaam veranderingen in bloeddruk detecteert en corrigeert. Deze reflex wordt aangestuurd door baroreceptoren in de wand van slagaders, vooral rond de sinus carotis in de halsslagader.
Door dit gebied elektrisch te stimuleren, kan de bloeddruk worden beïnvloed. Bestaande implantaten gebruiken dit principe al, maar zijn vaak gemaakt van stijve materialen die slecht aansluiten op zacht en voortdurend bewegend bloedvatweefsel.
Zachte hydrogels
Om dat probleem te verminderen, ontwikkelden de onderzoekers CaroFlex, een implantaat dat grotendeels bestaat uit hydrogel: een zacht, rekbaar materiaal dat mechanisch beter overeenkomt met biologisch weefsel.
De geleidende onderdelen bestaan uit speciale geleidende hydrogels, terwijl een kleeflaag ervoor zorgt dat het implantaat zonder hechtingen op zijn plaats blijft. Volgens hoofdonderzoeker Tao Zhou beweegt het systeem daardoor beter mee met slagaders en veroorzaakt het minder belasting van omliggend weefsel.
Laboratoriumtesten toonden aan dat CaroFlex meer dan twee keer zijn oorspronkelijke lengte kan uitrekken voordat het breekt.
Veelbelovende testresultaten
In proeven met ratten werd het implantaat rond de sinus carotis geplaatst. Vier van de vijf geteste stimulatiefrequenties zorgden voor een gemiddelde daling van de actieve bloeddruk van meer dan vijftien procent.
Twee weken na implantatie vonden de onderzoekers bovendien geen duidelijke tekenen van weefselschade of afweerreacties. De volgende stap is verdere optimalisatie en opschaling richting klinische studies bij mensen.
Volgens het onderzoeksteam kan de technologie uiteindelijk ook breder toepasbaar worden binnen bio-elektronische geneeskunde en implanteerbare medische systemen.
(Link)
3D-geprinte implantaten bootsen menselijk bot na
Onderzoekers van Tampere University hebben een keramisch implantaat ontwikkeld dat sterk lijkt op menselijk bot en met behulp van 3D-printtechnologie op maat kan worden geproduceerd. De technologie moet in de toekomst bijdragen aan gepersonaliseerde behandelingen voor patiënten met botdefecten en mogelijk een alternatief bieden voor traditionele bottransplantaties.
De resultaten zijn gepubliceerd in Materials Today Bio. Volgens de onderzoekers vormt het werk een belangrijke stap richting patiëntspecifieke implantaten voor botregeneratie.
Alternatief voor transplantaties
Bottransplantaties behoren wereldwijd tot de meest uitgevoerde vormen van weefseltransplantatie. Daarbij wordt vaak botweefsel van de patiënt zelf of van een donor gebruikt. Deze methoden hebben echter beperkingen, zoals beperkte beschikbaarheid, extra operaties en langere hersteltijden.
Het Finse onderzoeksteam gebruikte hydroxyapatiet als basis voor het implantaatmateriaal. Dat mineraal vormt van nature een belangrijk onderdeel van menselijk bot. Met keramische 3D-printtechnologie maakten de onderzoekers structuren die de eigenschappen van natuurlijk bot benaderen.
Volgens onderzoeker Antonia Ressler maakt deze aanpak het mogelijk implantaten nauwkeurig af te stemmen op de specifieke botafwijking van een patiënt.
Balans tussen stevigheid en groei
Voor de productie gebruikten de onderzoekers een techniek waarbij keramische materialen laag voor laag worden opgebouwd. Daarbij konden zij niet alleen de vorm van het implantaat bepalen, maar ook de interne structuur nauwkeurig sturen.
Vooral de poriën in het materiaal blijken belangrijk. Die zorgen ervoor dat cellen het implantaat kunnen binnendringen en voedingsstoffen zich door het materiaal verspreiden. Het team identificeerde een optimale structuur met poriën van ongeveer 400 micrometer en een porositeit van circa 45 procent.
Volgens de onderzoekers ontstaat daarmee een balans tussen mechanische stevigheid en biologische functionaliteit. Botvormende cellen kunnen zich goed hechten en nieuw botweefsel aanmaken.
Gepersonaliseerde geneeskunde
De onderzoekers ontdekten daarnaast dat ook oppervlakte-eigenschappen van invloed zijn op het gedrag van menselijke cellen. Hoge temperaturen tijdens het productieproces kunnen het oppervlak veranderen, waardoor cellen zich minder goed hechten.
Het onderzoek maakt deel uit van het project AffordBoneS. In een vervolgproject werken de onderzoekers aan verdere ontwikkeling van de technologie richting klinische toepassing.
Hoewel de implantaten zich nog in de onderzoeksfase bevinden, verwachten de onderzoekers dat patiëntspecifieke 3D-geprinte implantaten binnen tien jaar onderdeel kunnen worden van reguliere behandelingen voor botregeneratie en complexe botdefecten.
(Link)
Hersengestuurd hoortoestel helpt stemmen selecteren in rumoer
Voor het eerst is aangetoond dat hersengestuurde gehoortechnologie mensen kan helpen om één stem te volgen in een rumoerige omgeving. Dat stellen wetenschappers van het Zuckerman Institute van Columbia University. Hun technologie gebruikt hersensignalen om automatisch te bepalen op welke spreker iemand zich richt en versterkt vervolgens dat gesprek, terwijl andere stemmen worden gedempt.
Volgens de onderzoekers vormt dit een belangrijke stap richting een nieuwe generatie gehoorhulpmiddelen die verder gaat dan traditionele hoortoestellen. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Neuroscience.
Cocktailparty-effect
Moderne hoortoestellen kunnen spraak versterken en achtergrondgeluid deels onderdrukken, maar blijven beperkt in complexe luisteromgevingen zoals drukke restaurants of bijeenkomsten. Ze versterken vaak meerdere stemmen tegelijk, waardoor gesprekken moeilijk verstaanbaar blijven. Het menselijk brein kan normaal gesproken wel selecteren op welke stem iemand zich wil concentreren. Dit zogenoemde ‘cocktailparty-effect’ vormde de basis voor het onderzoek.
Voor de studie werkten de onderzoekers samen met epilepsiepatiënten die al elektroden in hun hersenen hadden voor medische monitoring. Daardoor konden hersensignalen direct worden gemeten terwijl deelnemers luisterden naar twee overlappende gesprekken.
Analyse van hersensignalen
Met behulp van machine learning analyseerde het systeem de hersenactiviteit in real time en bepaalde het op welke spreker de deelnemer zich richtte. Vervolgens werd automatisch het volume van dat gesprek verhoogd en het andere gedempt.
Volgens hoofdonderzoeker Nima Mesgarani werkt het systeem als een “neurale extensie” van de gebruiker. In plaats van alle geluiden te versterken, benut de technologie het natuurlijke vermogen van het brein om relevante geluiden te filteren.
De deelnemers gaven aan dat luisteren minder inspanning kostte en dat gesprekken beter verstaanbaar werden.
Minder invasieve technologie
De onderzoekers zien brede toepassingsmogelijkheden, onder meer voor mensen met ernstig gehoorverlies. Wereldwijd leven volgens de Wereldgezondheidsorganisatie meer dan 430 miljoen mensen met dergelijke gehoorproblemen.
De technologie bevindt zich echter nog in een vroege ontwikkelingsfase. De huidige opzet gebruikt geïmplanteerde elektroden, wat niet geschikt is voor grootschalig gebruik. Onderzoekers werken daarom aan minder invasieve methoden om hersenactiviteit te meten, bijvoorbeeld via draagbare sensoren.
Volgens het onderzoeksteam laat de studie zien hoe gehoorhulpmiddelen zich in de toekomst mogelijk actief kunnen aanpassen aan de aandacht en luisterintentie van gebruikers.
(Link)
