Wetenschappers bouwen het eerste functionele 3d-breinweefselmodel


Wetenschappers bouwen het eerste functionele 3d-breinweefselmodel

Het bereiken van een beter begrip van het menselijke brein is iets wat onderzoekers al lang hebben gestreefd, maar hebben moeilijk gevonden, gezien de complexiteit van het orgaan en de uitdagingen om zijn fysiologie in een levend lichaam te bestuderen. Nu hebben onderzoekers van de Tufts University in Medford, MA, een 3D weefselmodel gemaakt dat de hersenfuncties kan nabootsen.

Dit microscoopbeeld toont neuronen (geel) die aan de zijdebasis (blauw) bevestigd zijn.

Beeldkrediet: Tufts University

Het onderzoeksteam, met inbegrip van senior auteur David Kaplan, promovendus, een professor van Stern Family en voorzitter van de biomedische techniek aan de Tufts School of Engineering, zegt dat het model de weg vrijlaat voor nieuwe studies over hersenfunctie, letsel en ziekte en behandeling.

Zij hebben onlangs hun bevindingen gepubliceerd in De Verrigtingen van de National Academy of Sciences (PNAS) .

Om de functie van hersenneuronen te bestuderen, groeien de onderzoekers momenteel in petrischalen. Maar de ingewikkelde structuur van hersenweefsel - dat bestaat uit gesegregeerde gebieden van grijze en witte materie - kan niet gedupliceerd worden met deze 2D neuronen.

Grijze materie bestaat voornamelijk uit neuroncellichamen, en witte stof bestaat uit bundels van zenuwvezels of axonen. Deze axonen zijn verantwoordelijk voor het verzenden van signalen tussen neuronen.

Wanneer de hersenen onderhevig zijn aan schade of ziekte, worden de grijze en witte stof op verschillende manieren beïnvloed, waardoor er behoefte bestaat aan hersenweefselmodellen die elk van deze gebieden afzonderlijk kunnen bestuderen.

"Er zijn weinig goede mogelijkheden om de fysiologie van het levende brein te bestuderen, maar dit is misschien een van de grootste gebieden van ongemete klinische behoefte wanneer u de behoefte aan nieuwe opties beschouwt om een ​​breed scala van neurologische aandoeningen die verband houden met de hersenen te begrijpen en te behandelen, "Zegt Kaplan.

Wetenschappers hebben onlangs geprobeerd het functionele hersenweefsel te creëren door neuronen te ontwikkelen in 3D-collageen gelijke omgevingen maar zonder succes. Dergelijke modellen zijn snel overleden en hebben een sterke, voldoende weefselfunctie niet gelukt.

Maar het Tufts-team heeft een manier gevonden om functioneel 3D-breinachtig weefsel te creëren dat niet alleen gesegregeerde grijze en witte stofregio's bevat, maar dat kan ook meer dan 9 weken leven.

Hoe is het 3D-breinachtig weefsel gemaakt?

Ten eerste combineren Kaplan en collega's twee biomaterialen: een zijdeproteïne en een gelaagde gelaagde collage. Het zijdeproteïne speelde als een sponsige steiger waaraan neuronen gehecht waren, terwijl de gel zenuwvezelgroei bevorderde.

Dit diagram toont het steiger donut en de verschillende gebieden van grijs en wit materiaal.

Beeldkrediet: Nationaal Instituut voor Biomedische Beeldvorming en Bioengineering

De onderzoekers snijden vervolgens de sponsvormige steiger in de vorm van een donut en koloniseerde het met ratneuronen, voordat het middel van het donut werd gevuld met de gelaagde collageen die het gehele steiger geïnfiltreerd had.

Het team ontdekte dat de neuronen in slechts enkele dagen functionele netwerken rond de steigerafzettingen creëerden, en zenuwvezels passeerden de gel in het midden van het donut om met neuronen aan de andere kant te verbinden. Dit creëerde aparte grijze en witte materie gebieden.

De onderzoekers hebben vervolgens een reeks experimenten uitgevoerd op het 3D-breinachtige weefsel om de gezondheid en de functie van zijn neuronen te testen en te vergelijken met neuronen die zijn gegroeid volgens de bestaande 2D-methode of in een gel-alleen-omgeving.

Kaplan en collega's vonden hogere expressie van genen die betrokken zijn bij de groei van neuronen en functioneren in het 3D-breinachtig weefsel.

De neuronen die in het 3D-achtige hersenweefsel werden gegroeid, vertoonden een stabiele metabolische activiteit gedurende bijna 5 weken, terwijl deze activiteit in neuronen die in een gel-enige omgeving werden gegroeid, binnen 24 uur begon te vervagen. Voorts werd elektrische activiteit en responsiviteit vergelijkbaar met die gevonden in de intacte hersenen gezien in de 3D-breinachtige weefselneuronen.

Commentaar op deze creatie, Rosemarie Hunziker, PhD, programma directeur van weefseltechniek bij het Nationaal Instituut voor Biomedische Beeldvorming en Bioengineering, die de studie heeft gefinancierd, zegt:

Dit werk is een uitzonderlijke prestatie. Het combineert een diep begrip van de hersenfysiologie met een grote en groeiende reeks bioengineering tools om een ​​omgeving te creëren die noodzakelijk en voldoende is om de hersenfunctie na te bootsen."

Model zou de studies van hersenfunctie, letsel en ziekte kunnen verbeteren

Aangezien het 3D-breinachtig weefsel functioneel bleek, wilde het team zien of hun model nuttig kan zijn voor het bestuderen van traumatisch hersenletsel (TBI).

Ze hebben een TBI gesimuleerd door gewichten op het model van verschillende hoogten te laten vallen. Zij vonden dat de chemische en elektrische activiteit in de neuronen van het weefsel veranderd volgde TBI, die volgens de onderzoekers vergelijkbaar is met waarnemingen die in dierenstudies van TBI werden gemeld.

Volgens Kaplan blijkt uit deze bevinding dat het 3D-breinachtig weefsmodel een effectievere manier kan bieden om hersenletsel te bestuderen.

"Met het systeem dat we hebben, kunt u in wezen de weefselrespons traumatisch hersenletsel volgen," legt hij uit. "Belangrijker nog, u kunt ook repareren en wat er over langere tijd gebeurt."

Maar de voordelen van dit model stoppen daar niet. Kaplan merkt op dat het hersenachtige weefsel langer dan 2 maanden heeft overgebleven, waardoor onderzoekers beter inzicht kunnen krijgen in een reeks hersenstoornissen:

Het feit dat we dit weefsel voor maanden in het laboratorium kunnen behouden, betekenen dat we kunnen beginnen met neurologische aandoeningen te kijken op andere manieren die u niet anders kunt doen, omdat u lange tijdslijnen nodig hebt om enkele belangrijke hersensiektes te bestuderen.

"Goede modellen maken solide hypothesen mogelijk die grondig kunnen worden getest. De verwachting is dat het gebruik van dit model kan leiden tot een versnelling van therapieën voor hersenstoornis, maar ook een betere manier om normale hersenfysiologie te bestuderen," voegt Hunziker toe.

De onderzoekers zeggen dat ze nu het model willen aanpassen om het nog meer in overeenstemming te brengen met de hersenen. Zij hebben al gevonden dat ze de donut steiger kunnen aanpassen om zes ringen te bevatten, die elk met verschillende neuronen kunnen worden gekoloniseerd. Dit, volgens het team, zou de zes lagen van de hersencortex simuleren.

Afgelopen jaar, Medical-Diag.com Gerapporteerd over een studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , Onthulling van hoe wetenschappers met succes "mini-hersenen" van stamcellen groeien.

What is Evolution? (Video Medische En Professionele 2022).

Sectie Kwesties Op De Geneeskunde: Medische praktijk