Wetenschappers van de University of Rochester gebruiken innovatieve brain-on-a-chip-technologie om beter te begrijpen hoe het brein zichzelf beschermt en hoe dat misgaat bij ziekten zoals sepsis en neurodegeneratieve aandoeningen. In plaats van dierproeven maken de onderzoekers gebruik van microchips met menselijk weefsel, waarmee ze kunnen bestuderen wat er gebeurt aan de bloed-hersenbarrière: de cruciale grens tussen de bloedsomloop en het brein.
Wanneer een patiënt een zware operatie ondergaat of een infectie zoals sepsis oploopt, kan het immuunsysteem zó heftig reageren dat organen, inclusief de hersenen, ontstoken raken. Dit leidt vaak tot langdurige cognitieve problemen, vooral bij ouderen.
Hersenschade door ontsteking
In een studie, gepubliceerd in Advanced Science, toonde het team van professor James McGrath aan hoe een zogeheten cytokinestorm de bloed-hersenbarrière aantast. Met behulp van weefselchips zagen de onderzoekers dat een te sterke immuunreactie het membraan tussen bloed en hersenen doet afbreken, waardoor schadelijke eiwitten het brein binnendringen en schade veroorzaken.
“Bloedproteïnen zoals fibrinogeen, in combinatie met ontstekingsfactoren, kunnen schadelijke veranderingen op gang brengen in steuncellen van de hersenen,” legt promovendus Kaihua Chen uit. “Interessant genoeg ontdekten we dat de natuurlijke bloedstroom juist een beschermende rol speelt en helpt om de barrière sterk te houden. Dat toont aan hoe biologie en engineering samen nieuwe inzichten kunnen opleveren in hoe het brein zichzelf verdedigt.”
Microgliacellen
De onderzoekers willen de chip verder uitbreiden met microgliacellen, de immuuncellen van het brein, om beter te begrijpen hoe neuronen beschadigd raken bij ontstekingen. Op termijn moet de technologie bijdragen aan het ontwikkelen van medicijnen die hersenbeschadiging bij sepsis kunnen voorkomen.
McGrath ziet ook toepassingen binnen gepersonaliseerde geneeskunde: “Met een gepersonaliseerde hersenchip kunnen we vooraf inschatten hoe het brein van een specifieke patiënt reageert op zware behandelingen zoals chemotherapie of operaties, en zo de medicatie en dosering aanpassen om hersenschade te voorkomen.”
Nieuwe inzichten in hersenbescherming
In een tweede studie, gepubliceerd in Materials Today Bio, richtte het team zich op pericyten. Dit zijn steuncellen die essentieel zijn voor de stabiliteit van de bloed-hersenbarrière, maar vaak verdwijnen bij neurodegeneratieve ziekten. Door kleine openingen in bloedvatweefsel te creëren, ontdekten de onderzoekers dat pericyten deze defecten herstellen door een netwerk van structurele vezels te vormen, waardoor de barrière zich herstelt.
“Het verlies van pericyten speelt een rol bij veel hersenaandoeningen,” zegt promovenda Michelle Trempel. “Met deze chip kunnen we eindelijk onderzoeken hoe dat verlies precies bijdraagt aan neurodegeneratie, en hoe we het mogelijk kunnen tegengaan.” De brain-on-a-chip-technologie van Rochester brengt onderzoekers een stap dichter bij het veilig en nauwkeurig modelleren van hersenaandoeningen zonder dierproeven, en opent nieuwe wegen naar slimmere, patiëntspecifieke behandelingen tegen ontstekings- en neurodegeneratieve schade.
Vorig jaar berichtten wij over een succesvol Nederlands brain-on-a-chip onderzoek waarmee aangetoond werd dat de behandeling van het syndroom van Dravet, en zeldzame aangeboren vorm van epilepsie, met deze technologie verbeterd kunnen worden.
