Ein Forscherteam der Technischen Universität Delft (TU Delft) hat eine 3D-gedruckte Plattform zur Kultivierung von Neuronen entwickelt, die die komplexe Struktur des Gehirngewebes nachbildet. Die Studie, die in Advanced Functional Materials unter dem Titel „Deciphering the Influence of Effective Shear Modulus on Neuronal Network Directionality and Growth Cones’ Morphology via Laser-Assisted 3D-Printed Nanostructured Arrays“ veröffentlicht wurde, zeigt, wie nanoskalige Säulenarrays mechanische Eigenschaften von Hirngewebe simulieren und neue Einblicke in die Bildung neuronaler Netzwerke ermöglichen können.
3D-Druck zur Nachbildung von Hirngewebestrukturen
Neuronen reagieren empfindlich auf die mechanische Beschaffenheit ihrer Umgebung. Herkömmliche Zellkulturschalen aus Kunststoff sind jedoch flach und steif, während das Gehirn eine weiche, faserige extrazelluläre Matrix besitzt. Um diesen Unterschied zu überwinden, setzten die Forschenden um Prof. Angelo Accardo auf Zwei-Photonen-Polymerisation, eine hochpräzise 3D-Drucktechnik im Nanobereich.
Die dabei 3D-gedruckten Nanostrukturen bestehen aus winzigen Säulen, die tausendmal dünner als ein menschliches Haar sind. Diese können durch ihre Geometrie und Anordnung gezielt mechanische Eigenschaften beeinflussen und so den Neuronen ein hirngewebeähnliches Umfeld vorgaukeln.
Prof. Accardo erklärt:
„Während die Nanopfeiler durch das Wachstum der Neuronen gebogen werden, simulieren sie nicht nur die Weichheit des Hirngewebes, sondern bieten auch eine nanoskalige Struktur, an der sich die Zellen festhalten können.“
Geordnete neuronale Netzwerke dank 3D-gedruckter Substrate
Die Forschenden untersuchten das Verhalten von Neuronen aus Mausgewebe und menschlichen Stammzellen auf den 3D-gedruckten Nanostrukturen. Während sich die Neuronen auf herkömmlichen, flachen Substraten zufällig verteilten, bildeten sie auf den Nanopillaren geordnete Netzwerke mit spezifischen Wachstumsrichtungen.
Besonders auffällig waren Veränderungen in den Wachstumskegeln der Neuronen, die für die Suche nach Verknüpfungen mit anderen Nervenzellen verantwortlich sind. Auf flachen Oberflächen blieben diese Kegel breit und ausgebreitet, während sie auf den Nanostrukturen schlankere, dreidimensionale Fortsätze ausbildeten, die eine stärkere Interaktion mit der Umgebung ermöglichen.
Potenzial für die Erforschung neurologischer Erkrankungen
Die Forscher heben hervor, dass das neuartige Zellkulturmodell nicht nur das Wachstum, sondern auch die Reifung von Neuronen beeinflussen kann. Messungen zeigten eine erhöhte Expression von Markern, die mit neuronaler Reifung in Verbindung stehen, was darauf hindeutet, dass das Modell nicht nur die Anordnung der Netzwerke, sondern auch deren biologische Entwicklung begünstigt.
„Dieses System beeinflusst nicht nur die Wachstumsrichtung, sondern fördert auch die Reifung von Neuronen“, so George Flamourakis, Erstautor der Studie.
Die Methode könnte künftig bei der Untersuchung von Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson und Autismus helfen. Anders als herkömmliche Gel-Matrizen wie Kollagen oder Matrigel, die in der Zellkultur oft verwendet werden, bietet das 3D-gedruckte Modell eine hohe Reproduzierbarkeit und eine kontrollierte nanoskalige Geometrie.
Das Forschungsprojekt wurde durch mehrere Fakultäten der TU Delft sowie das Erasmus Medical Center unterstützt.
