Zusammenfassung: Forscherinnen und Forscher haben das weltweit erste 3D-gedruckte Hirngewebe entwickelt, das ähnlich wie natürliches Hirngewebe wächst und sich verhält.
Diese neuartige 3D-Drucktechnik verwendet eine horizontale Schichtung und eine weichere Biotinte, die es den Neuronen ermöglicht, sich miteinander zu verbinden und Netzwerke zu bilden, die den menschlichen Gehirnstrukturen ähneln.
Die Möglichkeit, Zelltypen und -anordnungen genau zu kontrollieren, bietet unvergleichliche Möglichkeiten, Gehirnfunktionen und -störungen in einer kontrollierten Umgebung zu untersuchen. Das eröffnet neue Wege für Medikamententests und das Verständnis der Gehirnentwicklung und von Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson.
Wichtige Fakten:
- Das 3D-gedruckte Hirngewebe kann Netzwerke bilden und über Neurotransmitter kommunizieren, ähnlich wie die Interaktionen im menschlichen Gehirn.
- Diese neue Druckmethode ermöglicht eine präzise Kontrolle über Zelltypen und -anordnungen und übertrifft damit die Möglichkeiten herkömmlicher Hirnorganoide.
- Die Technik ist für viele Labore zugänglich, da keine speziellen Geräte oder Kulturmethoden benötigt werden, und kann die Erforschung verschiedener neurologischer Erkrankungen und Behandlungen erheblich beeinflussen.
Quelle: Universität von Wisconsin
Ein Team von Wissenschaftlern der University of Wisconsin-Madison hat das erste 3D-gedruckte Hirngewebe entwickelt, das wie typisches Hirngewebe wachsen und funktionieren kann.
Diese Errungenschaft hat wichtige Auswirkungen für Wissenschaftler, die das Gehirn erforschen und an Behandlungen für eine Vielzahl von neurologischen und neurologischen Entwicklungsstörungen wie Alzheimer und Parkinson arbeiten.
„Dies könnte ein sehr leistungsfähiges Modell sein, das uns hilft zu verstehen, wie Gehirnzellen und Teile des Gehirns beim Menschen kommunizieren“, sagt Su-Chun Zhang, Professor für Neurowissenschaften und Neurologie am Waisman Center der UW-Madison.
„Unser Gewebe bleibt relativ dünn und das macht es den Neuronen leicht, genügend Sauerstoff und Nährstoffe aus den Wachstumsmedien zu bekommen“, sagt Yan. Credit: Neuroscience News
„Es könnte die Art und Weise verändern, wie wir die Stammzellbiologie, die Neurowissenschaften und die Entstehung vieler neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen betrachten.“
Laut Zhang und Yuanwei Yan, einem Wissenschaftler in Zhangs Labor, war der Erfolg früherer Versuche, Hirngewebe zu drucken, durch die Druckmethoden begrenzt. Die Gruppe, die hinter dem neuen 3D-Druckverfahren steht, hat ihre Methode heute in der Zeitschrift Cell Stem Cell beschrieben.
Anstelle des traditionellen 3D-Drucks, bei dem die Schichten vertikal gestapelt werden, gingen die Forscher horizontal vor. Sie legten Gehirnzellen, Neuronen, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen gezüchtet wurden, in ein weicheres „Bio-Tinten“-Gel als bei früheren Versuchen.
„Das Gewebe hat immer noch genug Struktur, um zusammenzuhalten, aber es ist weich genug, damit die Neuronen ineinander wachsen und miteinander reden können“, sagt Zhang.
Die Zellen werden nebeneinander gelegt, wie Bleistifte nebeneinander auf einer Tischplatte.
„Unser Gewebe bleibt relativ dünn und das macht es den Neuronen leicht, genügend Sauerstoff und Nährstoffe aus den Wachstumsmedien zu bekommen“, sagt Yan.
Die Ergebnisse sprechen für sich – das heißt, die Zellen können miteinander sprechen. Die gedruckten Zellen greifen durch das Medium hindurch und bilden Verbindungen innerhalb jeder gedruckten Schicht sowie zwischen den Schichten, so dass sie Netzwerke bilden, die mit menschlichen Gehirnen vergleichbar sind.
Die Neuronen kommunizieren, senden Signale, interagieren miteinander durch Neurotransmitter und bilden sogar richtige Netzwerke mit Stützzellen, die dem gedruckten Gewebe hinzugefügt wurden.
„Wir haben die Großhirnrinde und das Striatum gedruckt, und was wir herausgefunden haben, war ziemlich beeindruckend“, sagt Zhang. „Selbst wenn wir verschiedene Zellen gedruckt haben, die zu unterschiedlichen Teilen des Gehirns gehören, waren sie in der Lage, auf eine ganz besondere und spezifische Weise miteinander zu sprechen.
Die Drucktechnik bietet eine Präzision – die Kontrolle über die Arten und die Anordnung der Zellen -, die bei Hirnorganoiden, den Miniaturorganen, die zur Untersuchung des Gehirns verwendet werden, nicht gegeben ist. Die Organoide wachsen mit weniger Organisation und Kontrolle.
„Unser Labor ist insofern etwas Besonderes, als dass wir so ziemlich jede Art von Neuronen zu jeder Zeit herstellen können. Dann können wir sie fast jederzeit und auf jede beliebige Weise zusammensetzen“, sagt Zhang.
„Weil wir das Gewebe nach Plan drucken können, haben wir ein definiertes System, mit dem wir untersuchen können, wie unser menschliches Gehirnnetzwerk funktioniert. Wir können sehr genau untersuchen, wie die Nervenzellen unter bestimmten Bedingungen miteinander kommunizieren, weil wir genau das drucken können, was wir wollen.“
Diese Spezifität bietet Flexibilität. Das gedruckte Hirngewebe könnte verwendet werden, um die Signalübertragung zwischen Zellen beim Down-Syndrom, die Wechselwirkungen zwischen gesundem und benachbartem, von Alzheimer betroffenem Gewebe zu untersuchen, neue Arzneimittelkandidaten zu testen oder sogar das Wachstum des Gehirns zu beobachten.
„In der Vergangenheit haben wir oft nur eine Sache auf einmal betrachtet, was bedeutet, dass wir oft einige wichtige Komponenten übersehen. Unser Gehirn arbeitet in Netzwerken. Wir wollen Gehirngewebe auf diese Weise drucken, weil Zellen nicht alleine arbeiten. Sie sprechen miteinander. So funktioniert unser Gehirn, und es muss auf diese Weise untersucht werden, um es wirklich zu verstehen“, sagt Zhang.
„Unser Hirngewebe könnte dazu verwendet werden, fast jeden wichtigen Aspekt dessen zu untersuchen, woran viele Leute am Waisman Center arbeiten. Es kann genutzt werden, um die molekularen Mechanismen zu untersuchen, die der Gehirnentwicklung, der menschlichen Entwicklung, Entwicklungsstörungen, neurodegenerativen Erkrankungen und vielem mehr zugrunde liegen.
Die neue Drucktechnik sollte auch für viele Labore zugänglich sein. Sie erfordert keine speziellen Bioprint-Ausrüstungen oder Kultivierungsmethoden, um das Gewebe gesund zu halten, und kann mit Mikroskopen, Standard-Bildgebungsverfahren und Elektroden, die in diesem Bereich bereits üblich sind, eingehend untersucht werden.
Die Forscherinnen und Forscher möchten jedoch das Potenzial der Spezialisierung erforschen, indem sie ihre Biotinte weiter verbessern und ihre Ausrüstung verfeinern, um eine bestimmte Ausrichtung der Zellen in ihrem gedruckten Gewebe zu ermöglichen.
„Im Moment ist unser Drucker ein kommerzieller Tischdrucker“, sagt Yan. „Wir können einige spezielle Verbesserungen vornehmen, damit wir bestimmte Arten von Hirngewebe auf Anfrage drucken können.
Finanzierung: Diese Studie wurde zum Teil von NIH-NINDS (NS096282, NS076352, NS086604), NICHD (HD106197, HD090256), dem National Medical Research Council of Singapore (MOH-000212, MOH-000207), dem Ministry of Education of Singapore (MOE2018-T2-2-103), Aligning Science Across Parkinson’s (ASAP-000301), der Bleser Family Foundation und der Busta Foundation unterstützt.
Author: Emily Leclerc
Source: University of Wisconsin
Contact: Emily Leclerc – University of Wisconsin
Image: The image is credited to Neuroscience News
Original Research: Open access.
“3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity” by Su-Chun Zhang et al. Cell Stem Cell
Abstract
3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity
Highlights
- Functional human neural tissues assembled by 3D bioprinting
- Neural circuits formed between defined neural subtypes
- Functional connections established between cortical-striatal tissues
- Printed tissues for modeling neural network impairment
Summary
Probing how human neural networks operate is hindered by the lack of reliable human neural tissues amenable to the dynamic functional assessment of neural circuits. We developed a 3D bioprinting platform to assemble tissues with defined human neural cell types in a desired dimension using a commercial bioprinter.
The printed neuronal progenitors differentiate into neurons and form functional neural circuits within and between tissue layers with specificity within weeks, evidenced by the cortical-to-striatal projection, spontaneous synaptic currents, and synaptic response to neuronal excitation.
Printed astrocyte progenitors develop into mature astrocytes with elaborated processes and form functional neuron-astrocyte networks, indicated by calcium flux and glutamate uptake in response to neuronal excitation under physiological and pathological conditions.
These designed human neural tissues will likely be useful for understanding the wiring of human neural networks, modeling pathological processes, and serving as platforms for drug testing.