Wissenschaftler bauen erste funktionale 3d-hirngewebe modell


Wissenschaftler bauen erste funktionale 3d-hirngewebe modell

Das Erreichen eines besseren Verständnisses des menschlichen Gehirns ist, was die Forscher seit langem anstreben, aber aufgrund der Komplexität der Orgel und der Herausforderungen beim Studium ihrer Physiologie in einem lebenden Körper schwierig gefunden haben. Jetzt haben Forscher von der Tufts Universität in Medford, MA, ein 3D-Gewebemodell geschaffen, das Gehirnfunktionen nachahmen kann.

Dieses Mikroskop-Bild zeigt Neuronen (gelb) an das Seiden-basierte Gerüst (blau).

Bildnachweis: Tufts University

Das Forscherteam, darunter der leitende Autor David Kaplan, PhD, ein Gastfamilie Professor und Lehrstuhl für Biomedizinische Technik an der Tufts School of Engineering, sagt, dass das Modell den Weg für neue Studien in Gehirnfunktion, Verletzung und Krankheit und Behandlung ebnet.

Sie haben vor kurzem ihre Ergebnisse veröffentlicht Die Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS) .

Um die Funktion der Gehirnneuronen zu untersuchen, wachsen die Forscher derzeit in Petrischalen. Aber die komplizierte Struktur des Hirngewebes, die aus getrennten Bereichen grauer und weißer Materie besteht, kann nicht mit diesen 2D-Neuronen vervielfältigt werden.

Die graue Substanz besteht hauptsächlich aus Neuronzellkörpern, und die weiße Substanz besteht aus Bündeln von Nervenfasern oder Axonen. Diese Axone sind für die Übertragung von Signalen zwischen Neuronen verantwortlich.

Wenn das Gehirn einem Schaden oder einer Krankheit ausgesetzt ist, wird die graue und weiße Substanz auf unterschiedliche Weise beeinflusst, dh es besteht ein Bedarf an Hirngewebemodellen, die es erlauben, jede dieser Bereiche separat zu untersuchen.

"Es gibt nur wenige gute Optionen für das Studium der Physiologie des lebenden Gehirns, aber dies ist vielleicht einer der größten Bereiche der nicht klinischen Notwendigkeit, wenn man bedenkt, die Notwendigkeit für neue Optionen zu verstehen und zu behandeln eine breite Palette von neurologischen Erkrankungen im Zusammenhang mit dem Gehirn ", Sagt Kaplan.

Wissenschaftler haben vor kurzem versucht, funktionelles Gehirn Gewebe durch wachsende Neuronen in 3D-Kollagen Gel-nur Umgebungen, aber ohne Erfolg. Solche Modelle sind schnell gestorben und haben es versäumt, stark genug Gewebe-Level-Funktion zu produzieren.

Aber das Tufts-Team hat einen Weg gefunden, um funktionelles 3D-Gehirn-ähnliches Gewebe zu schaffen, das nicht nur segregierte graue und weiße Materie-Regionen einbezieht, sondern auch mehr als 9 Wochen leben kann.

Wie wurde das 3D-Gehirn-ähnliches Gewebe geschaffen?

Erstens kombinierten Kaplan und Kollegen zwei Biomaterialien: ein Seidenprotein und ein auf Kollagen basierendes Gel. Das Seidenprotein fungierte als schwammiges Gerüst, an das Neuronen gebunden waren, während das Gel das Nervenfaserwachstum ermutigte.

Dieses Diagramm zeigt den Gerüst Donut und die verschiedenen Bereiche der grauen und weißen Materie.

Bildkredit: Nationales Institut für Biomedizinische Bildgebung und Bioengineering

Die Forscher schneiden dann das schwammige Gerüst in die Form eines Donuts und kolonisierten es mit Rattenneuronen, bevor er die Mitte des Donuts mit dem auf Kollagen basierenden Gel füllte, das das ganze Gerüst infiltrierte.

Das Team stellte fest, dass die Neuronen in nur wenigen Tagen funktionale Netzwerke um die Gerüstbörsen erschufen und Nervenfasern in der Mitte des Donuts durch das Gel hindurchgegangen sind, um mit Neuronen auf der anderen Seite zu verbinden. Dies schuf separate graue und weiße Materie Regionen.

Die Forscher führten dann eine Reihe von Experimenten auf dem 3D-Gehirn-ähnlichen Gewebe durch, um die Gesundheit und Funktion ihrer Neuronen zu testen und sie mit Neuronen zu vergleichen, die mit der existierenden 2D-Methode oder in einer Gel-Umgebung entwickelt wurden.

Kaplan und Kollegen fanden eine höhere Expression von Genen, die an Neuronenwachstum beteiligt sind und im 3D-Gehirn-ähnlichen Gewebe funktionieren.

Die Neuronen, die im 3D-ähnlichen Hirngewebe angebaut wurden, zeigten eine stabile metabolische Aktivität für fast 5 Wochen, während eine solche Aktivität in Neuronen, die in einer Gel-only-Umgebung angebaut wurden, innerhalb von 24 Stunden zu verblassen begann. Darüber hinaus wurde die elektrische Aktivität und Reaktionsfähigkeit ähnlich wie im intakten Gehirn in den 3D-Gehirn-ähnlichen Gewebe-Neuronen gesehen.

Die Rosemarie Hunziker, PhD, Programmdirektorin des Tissue Engineering am National Institute of Biomedical Imaging und Bioengineering, die die Studie finanzierte, sagt:

Diese Arbeit ist eine außergewöhnliche Leistung. Es verbindet ein tiefes Verständnis der Gehirnphysiologie mit einer großen und wachsenden Suite von Biotechnologie-Tools, um eine Umgebung zu schaffen, die sowohl notwendig als auch ausreichend ist, um die Gehirnfunktion zu imitieren."

Modell könnte die Untersuchung der Gehirnfunktion, der Verletzung und der Krankheit verbessern

Als das 3D-Gehirn-ähnliches Gewebe funktional erschien, wollte das Team sehen, ob ihr Modell für das Studium der traumatischen Hirnverletzung (TBI) nützlich sein könnte.

Sie simulierten einen TBI, indem sie Gewichte auf das Modell aus verschiedenen Höhen fallen ließen. Sie fanden heraus, dass sich die chemische und elektrische Aktivität in den Neuronen des Gewebes nach TBI änderte, was die Forscher sagen, ist ähnlich wie Beobachtungen, die in Tierversuchen von TBI berichtet wurden.

Laut Kaplan zeigt diese Erkenntnis, dass das 3D-Gehirn-ähnliche Gewebemodell eine effektivere Methode zur Untersuchung von Hirnverletzungen bieten könnte.

"Mit dem System haben wir, können Sie im Wesentlichen die Gewebe Antwort auf traumatische Hirnverletzung in Echtzeit verfolgen", erklärt er. "Am wichtigsten ist, können Sie auch beginnen zu reparieren und was passiert über längere Zeit."

Aber die Vorteile dieses Modells bleiben nicht dort. Kaplan stellt fest, dass das Gehirn-ähnliche Gewebe für mehr als 2 Monate überlebt hat, was bedeutet, dass es Forschern erlauben könnte, einen besseren Einblick in eine Reihe von Hirnstörungen zu gewinnen:

Die Tatsache, dass wir dieses Gewebe seit Monaten im Labor beibehalten können, bedeutet, dass wir anfangen können, neurologische Krankheiten in einer Weise zu betrachten, die man sonst nicht kann, weil man lange Zeiträume braucht, um einige der wichtigsten Hirnkrankheiten zu studieren."

"Gute Modelle ermöglichen solide Hypothesen, die gründlich getestet werden können. Die Hoffnung ist, dass die Verwendung dieses Modells zu einer Beschleunigung von Therapien für die Hirnfunktionsstörung führen könnte und einen besseren Weg zur Untersuchung der normalen Gehirnphysiologie bietet", ergänzt Hunziker.

Die Forscher sagen, sie planen jetzt, das Modell zu optimieren, um es noch ähnlicher zu dem Gehirn zu machen. Sie haben bereits festgestellt, dass sie das Donut-Gerüst anpassen können, um sechs Ringe zu integrieren, von denen jede mit verschiedenen Neuronen kolonisiert werden kann. Dies, sagt das Team, würde die sechs Schichten des menschlichen Hirnrinde simulieren.

Letztes Jahr, Medical-Diag.com Berichtete über eine in der Zeitschrift veröffentlichte Studie Natur Und enthüllte, wie Wissenschaftler erfolgreich "Mini-Gehirne" aus Stammzellen wuchsen.

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