Onderzoekers van de Christian Albrechts Universiteit van Kiel (CAU) hebben een nieuw 3D-biomateriaal ontwikkeld waarmee menselijke hersencellen kunnen groeien en communiceren in laboratoriumomstandigheden die sterk lijken op de natuurlijke hersenomgeving. Deze innovatie kan het onderzoek naar neurologische processen en ziekten verbeteren, omdat wetenschappers hierdoor cellulaire interacties in een meer fysiologisch realistische omgeving kunnen bestuderen.
Het interdisciplinaire onderzoeksteam, onder leiding van materiaalwetenschapper dr. Stefan Schröder van de faculteit Ingenieurswetenschappen, creëerde ultralichte 3D-structuren die bekend staan als aerohydrogels. Deze holle vezelstructuren bieden een stabiele en flexibele omgeving voor hersencellen zoals astrocyten en microglia om te groeien en signalen uit te wisselen. De bevindingen werden gepubliceerd in Chem & Bio Engineering in samenwerking met onderzoekers van de Harvard Medical School en de Universiteit van Oxford.
Ultradunne hydrogel ‘steiger’
De aerohydrogels worden geproduceerd met behulp van tetrapodale zinkoxidekristallen (t-ZnO), die aanvankelijk een complex 3D-skelet vormen. Vervolgens bedekken de onderzoekers deze structuur met een ultradunne hydrogellaag met behulp van geïnitieerde chemische dampafzetting (iCVD). Nadat de zinkoxide-sjabloon is verwijderd, blijft een lichtgewicht hydrogel-raamwerk over.
Dit raamwerk behoudt zijn structurele integriteit, terwijl voedingsstoffen en signaalmoleculen vrij door het netwerk kunnen diffunderen. In vergelijking met conventionele 3D-celculturen, die vaak worden beperkt door instabiliteit of rigide structuren, bieden de aerohydrogels meer stabiliteit en flexibiliteit.
Een ander belangrijk voordeel is dat onderzoekers de poriegrootte, stijfheid en oppervlaktechemie onafhankelijk van elkaar kunnen aanpassen. In veel bestaande 3D-raamwerken zijn deze parameters onderling afhankelijk, waardoor het moeilijk is om de omstandigheden voor specifieke celtypen te optimaliseren.
“Onze aerohydrogels bootsen de extracellulaire ruimte in de hersenen na”, legt professor Rainer Adelung, coauteur van de studie en expert op het gebied van tetrapodale zinkoxidematerialen, uit. “We kunnen mechanische eigenschappen zoals stijfheid en poriegrootte nauwkeurig afstemmen. Dit betekent dat de scaffolds uiteindelijk kunnen worden aangepast aan verschillende weefsels, bijvoorbeeld hartweefsel, dat veel stijver is dan hersenweefsel.”
Onderzoek naar communicatie tussen hersencellen
Om het potentieel van het materiaal voor neurowetenschappelijk onderzoek te evalueren, kweekte het team twee soorten menselijke hersencellen op de aerohydrogels: astrocyten, die neuraal weefsel ondersteunen en in stand houden, en microglia, de immuuncellen van de hersenen die verantwoordelijk zijn voor het detecteren van en reageren op bedreigingen.
Vervolgens stimuleerden de onderzoekers de cellen met lipopolysaccharide (LPS), een bacteriële verbinding die vaak wordt gebruikt om ontstekingsreacties op te wekken in laboratoriumexperimenten. De wetenschappers analyseerden de genactiviteit met betrekking tot inflammatoire signaalmoleculen om te bepalen hoe de cellen reageerden.
De resultaten toonden aan dat microglia zich anders gedroegen wanneer ze alleen werden gekweekt dan wanneer ze samen met astrocyten werden gekweekt. In co-culturen waren bepaalde ontstekingsreacties verminderd, wat suggereert dat de cellen via het 3D-scaffold communiceerden, zelfs zonder direct fysiek contact.
Realistische laboratoriummodellen
Volgens de onderzoekers maken de aerohydrogels het mogelijk om neuronale processen, immuunreacties en celcommunicatie te bestuderen onder omstandigheden die aanzienlijk dichter bij die in levend weefsel liggen dan traditionele 2D-culturen of veel bestaande 3D-systemen.
Op de lange termijn zou de technologie wetenschappers kunnen helpen om beschadigd of ziek weefsel in het laboratorium te herscheppen. Dit kan het onderzoek naar neurologische aandoeningen ondersteunen en mogelijk de afhankelijkheid van dierproeven verminderen door complexe cellulaire interacties in vitro te bestuderen.
De coatingtechnologie die wordt gebruikt om de aerohydrogels te produceren, wordt ook verder ontwikkeld door een start-up die is opgericht door Schröder en eerste auteur Torge Hartig aan de Universiteit van Kiel. Het bedrijf streeft ernaar om de ‘3D-steigers’ in de toekomst op de markt te brengen, zodat ze beschikbaar komen voor onderzoekslaboratoria en biomedische ontwikkelaars.
3D-geprint hersenweefsel
Onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison slaagden er twee jaar geleden al in om voor het eerst 3D-geprint menselijke hersenweefsel te ontwikkelen dat op dezelfde manier kan groeien en functioneren als natuurlijk hersenweefsel. Een doorbraak dat een krachtig model zou kunnen vormen voor het bestuderen van neurologische aandoeningen zoals Alzheimer en Parkinson.
Met behulp van geavanceerde bioprinttechnieken hebben wetenschappers stamcellen horizontaal in een gelmedium geprint, waardoor ze naar elkaar toe kunnen groeien en functionele neurale netwerken kunnen vormen die lijken op die in het menselijk brein. Deze aanpak verbetert de celinteractie in vergelijking met eerdere verticale printmethoden. Het geprinte weefsel stelt onderzoekers in staat om te bestuderen hoe hersencellen communiceren en om ziektemodellen te creëren voor het testen van nieuwe behandelingen. Hoewel de technologie niet de volledige complexiteit van het menselijk brein kan repliceren, biedt het een veelbelovend nieuw hulpmiddel voor neurowetenschappelijk onderzoek en de ontwikkeling van geneesmiddelen.
