In einem bedeutenden Forschungsfortschritt an der Universität von Wisconsin–Madison haben Wissenschaftler erstmals erfolgreich Gehirngewebe mittels 3D-Druck hergestellt, das natürliche Gehirnfunktionen nachahmt. Diese innovative Technik, die horizontale Schichtung und eine weichere Bio-Tinte verwendet, ermöglicht die Bildung von Neuronennetzwerken, die den Strukturen des menschlichen Gehirns ähneln.
Veröffentlicht wurde der Forschungsbericht unter dem Titel „3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity„.
- 3D-Bioprinting-Plattform entwickelt: Für das Überleben und die Funktionsfähigkeit von menschlichem neuronalen Gewebe wurde ein geeignetes Bioink entwickelt.
- Studie an Alexander-Krankheit (AxD): Die gedruckten Gewebe wurden zur Untersuchung von AxD, einer neurodegenerativen Krankheit, die durch Mutationen im GFAP-Gen verursacht wird, verwendet.
- Neuron-Astrozyten-Interaktion: Die Interaktion zwischen Neuronen und Astrozyten im gedruckten Gewebe wurde analysiert, wobei Unterschiede in der Unterstützung der Synaptogenese zwischen AxD und isogenen Kontrollen festgestellt wurden.
- Kalziumantwort auf neuronale Stimulation: Neuronale Stimulation mit hoher KCl-Konzentration führte zu einer starken Kalziumantwort in isogenen Astrozyten, während AxD Astrozyten deutlich schwächere Reaktionen zeigten.
- Glutamataufnahme in Astrozyten: Live-Bildgebung wurde verwendet, um die Glutamataufnahme durch iGluSnFR zu untersuchen, wobei AxD Astrozyten weniger Veränderungen zeigten als die Kontrollen.
- Funktionelle Synaptische Verbindungen: Die gedruckten Gewebe bildeten funktionelle synaptische Verbindungen zwischen neuronalen Subtypen innerhalb und zwischen Gewebebahnen sowie funktionelle Neuron-Astrozyten-Netzwerke innerhalb von 2–5 Wochen nach dem Druck ihrer Progenitoren.
- Mehrere Merkmale der Plattform: Die Plattform unterstützt die Einbindung verschiedener neuronaler Subtypen, die Etablierung funktioneller Neuron-Glia-Netzwerke und ermöglicht es, funktionelle Schichten wie kortikales-striatales Gewebe schnell zusammenzustellen.
- Kontrollierte Dimensionen: Die Dimensionen der gedruckten Gewebe, einschließlich der Dicke, sind kontrolliert, sodass ausreichend Nährstoffe und Sauerstoff für das Überleben, Wachstum und die Funktion des neuralen Gewebes im konventionellen Kultursystem vorhanden sind.
- Vorhersagbare Zusammensetzung: Die Zusammensetzung der funktionellen Zelltypen hängt von den gedruckten Vorläuferzellen ab, was Vorhersagen über die anatomischen Eigenschaften und potenzielle Funktionen der gedruckten Gewebe ermöglicht.
- Limitationen der aktuellen Bioprinting-Technologie: Die Weichheit des Gels unterstützt kein mehrschichtiges vertikales Drucken, die Dicke der gedruckten Gewebe ist auf etwa 50 mm beschränkt, und die Technologie ermöglicht nicht die Ausrichtung reifer Neuronen, obwohl viele Neuronen eine pyramidenförmige Morphologie aufweisen.
- Erhaltene intrinsische Eigenschaften: Einige intrinsische Eigenschaften, einschließlich anatomischer und funktioneller neuronaler Verbindungen, bleiben im gedruckten Gewebe erhalten.
- Zukünftige Erwartungen: Mit dem Fortschritt der Bioprinting-Technologie könnten komplexere menschliche neuronale Gewebe mit definierten zellulären Zusammensetzungen, Ausrichtungen, Gewebeorganisation und -zusammenstellung produziert werden.
- Potential der Plattform: Das gedruckte neuronale Gewebe bietet ein vielversprechendes Paradigma zum Studium der Funktionen menschlicher neuronaler Netzwerke und bietet ein nützliches Werkzeug für das Studium von Interaktionen zwischen spezifischen neuralen Zelltypen und neuronalen Schaltkreisen unter pathologischen Bedingungen.
Bisherige Ansätze im 3D-Bioprinting waren aufgrund ihrer Einschränkungen oft nicht in der Lage, Gehirngewebe effektiv zu reproduzieren. Die Forschergruppe hat mit der horizontalen Schichtungsmethode, bei der Neuronen in einem weichen Bio-Tintengel positioniert werden, einen Weg gefunden, Verbindungen und Kommunikation zwischen den gedruckten Zellen zu fördern. Diese Methode ermöglicht eine präzise Kontrolle über Zelltypen und Anordnungen und übertrifft damit die Fähigkeiten konventioneller Gehirnorganoiden.
Das gedruckte Gehirngewebe, das aus vernetzten Neuronen besteht, imitiert die Interaktionen des menschlichen Gehirns und ermöglicht die Untersuchung verschiedener neurologischer Zustände wie Alzheimer und Parkinson. Diese Errungenschaft verspricht bedeutende Fortschritte in der Stammzellbiologie, der Neurowissenschaft und dem Verständnis der Pathogenese neurologischer und psychiatrischer Störungen.
Die Flexibilität dieser Drucktechnik erlaubt die Erstellung definierter Systeme zur Untersuchung spezifischer Aspekte menschlicher Gehirnnetzwerke. Die Forschenden sehen Anwendungen in der Untersuchung des Down-Syndroms, der Interaktionen zwischen gesundem und von Alzheimer betroffenem Gewebe, in der Medikamententestung und der Beobachtung der Gehirnentwicklung. Im Gegensatz zu früheren Methoden ermöglicht dieser Ansatz eine ganzheitliche Untersuchung der vernetzten Operationen des Gehirns.
Die Zugänglichkeit dieser Technik macht sie für viele Labore verfügbar, ohne dass spezialisierte Ausrüstung oder Kultivierungsmethoden erforderlich sind. Die Forscher planen, weitere Verbesserungen zu erforschen, indem sie die Bio-Tinte und die Ausrüstung für den bedarfsgerechten Druck spezifischer Gehirngewebe verfeinern.
Die Entwicklung des 3D-gedruckten Gehirngewebes markiert einen entscheidenden Fortschritt in der neurologischen Forschung und bietet beispiellose Möglichkeiten zur Untersuchung von Gehirnfunktionen, Störungen und potenziellen Behandlungen.
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