Wissenschaftler bauen erste funktionelle 3D- Hirngewebe -Modell
Das mikroskopische Bild zeigt Nervenzellen (gelb) auf die Seide -basierten Gerüst (blau) verbunden ist.
Bildnachweis : Tufts University
Das Forscherteam , darunter leitende Autor David Kaplan , PhD, ein Stern Familien Professor und Vorsitzender für Biomedizinische Technik an der Tufts School of Engineering , sagt das Modell ebnet den Weg für neue Studien über die Gehirnfunktion , Verletzungen und Krankheiten , und Behandlung.
Sie vor kurzem in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ) veröffentlichten ihre Ergebnisse .
Um die Funktion der Nervenzellen im Gehirn zu untersuchen Forscher derzeit wachsen sie in Petrischalen . Aber die komplizierte Struktur des Hirngewebes - der sich aus getrennt Bereichen grauen und weißen Substanz hergestellt wird - nicht mit diesen 2D- Neuronen dupliziert werden.
Graue Substanz besteht hauptsächlich aus Neuron Zellkörper und weiße Substanz besteht aus Bündeln von Nervenfasern oder Axone . Diese Axone sind zur Übertragung von Signalen zwischen den Neuronen verantwortlich.
Wenn das Gehirn unterliegt Schädigung oder Krankheit sind die grauen und weißen Substanz in unterschiedlicher Weise beeinflusst , so gibt es einen Bedarf für die Gehirngewebemodellen, die jedem dieser Bereiche zu ermöglichen, getrennt untersucht werden.
" Es gibt nur wenige gute Möglichkeiten für das Studium der Physiologie des lebenden Gehirns , das ist doch wohl eine der größten Bereiche ungedeckten klinischen Bedarf , wenn Sie die Notwendigkeit für neue Optionen zu verstehen und zu behandeln, eine Vielzahl von neurologischen Erkrankungen mit dem Gehirn verbunden zu betrachten ", sagt Kaplan .
Wissenschaftler haben kürzlich versucht, die Schaffung funktioneller Hirngewebe durch wachsende Nervenzellen in 3D- Kollagen-Gel -Umgebungen jedoch ohne Erfolg. Solche Modelle sind schnell gestorben ist und es versäumt haben, stark genug, Tissue Level- Funktion zu erzeugen.
Aber der Tufts -Team hat einen Weg gefunden , um funktionelle 3D Gehirn artiges Gewebe , das nicht nur beinhaltet getrennten grauen und weißen Substanz Regionen zu schaffen gefunden , aber das kann auch für mehr als 9 Wochen zu leben.
Wie wurde das 3D- Gehirn -ähnliche Gewebe geschaffen?
Zum einen Kaplan und Kollegen kombiniert zwei Biomaterialien : ein Seidenprotein und Kollagen-basierten Gel . Die Seidenprotein als schwammig Gerüst gehandelt, um die Nervenzellen befestigt, während das Gel ermutigt Nervenfaserwachstum .
Dieses Diagramm zeigt die Gerüst Donut und die verschiedenen Bereiche der grauen und weißen Substanz .
Bildquelle : National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering
Die Forscher dann schneiden die schwammige Gerüst in Form eines Donut und kolonisiert mit Ratten- Neuronen vor dem Befüllen der Mitte des Donut mit dem Kollagen-basierten Gel, das das gesamte Gerüst infiltriert.
Das Team fand heraus , dass die Neuronen erstellt funktionale Netze rund um den Gerüststellen in nur ein paar Tage , und durch das Gel in der Mitte des Donut weitergegeben Nervenfasern mit Neuronen auf der anderen Seite zu verbinden. Dies führte zu separaten grauen und weißen Substanz Regionen.
Die Forscher, die dann eine Reihe von Experimenten über die 3D- Hirn - ähnlichem Gewebe , um die Gesundheit und Funktion der Nervenzellen zu testen, und vergleichen sie mit Neuronen gezüchtet unter Verwendung der bestehenden 2D -Verfahren oder in einem Gel -Umgebung .
Kaplan und Kollegen festgestellt, höhere Expression von Genen in Neuron Wachstum und Funktion im 3D- Gehirn -ähnliche Gewebe beteiligt.
Die in der 3D-like Hirngewebe gezüchtet Neuronen zeigten stabile Stoffwechselaktivität nahezu 5 Wochen, während eine solche Aktivität in Neuronen in einem Gel -Umgebung gezüchtet begann innerhalb von 24 Stunden zu verblassen. Weiterhin wurde die elektrische Aktivität und Reaktionsfähigkeit ähnlich der in intakten Gehirn gefunden in den 3D- Hirn - ähnlichem Gewebe Neuronen gesehen .
Kommentar zu dieser Schöpfung, Rosemarie Hunziker , PhD, Programmdirektor des Tissue Engineering an der National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering , die die Studie finanziert , sagt :
"Diese Arbeit ist eine außergewöhnliche Leistung . Es verbindet ein tiefes Verständnis der Physiologie des Gehirns mit einem großen und wachsenden Suite von Biotechnik -Tools , um eine Umgebung , die notwendig und ausreichend ist, um die Gehirnfunktion imitieren zu schaffen."
Modell könnte Studien der Hirnfunktion , Verletzungen und Krankheiten zu verbessern
Da die 3D- Gehirn -ähnliche Gewebe erschien funktional, wollte das Team zu sehen, ob ihr Modell könnte zur Untersuchung sein Schädelhirntrauma ( TBI) .
Sie simuliert eine TBI durch Fallen Gewichte auf das Modell aus verschiedenen Höhen . Sie fanden heraus, dass die chemische und die elektrische Aktivität in den Neuronen des Gewebes verändert Anschluß an TBI die die Forscher sagen ähnelt Beobachtungen in Tierstudien von TBI gemeldet .
Laut Kaplan, dieses Ergebnis zeigt, dass die 3D- Gehirn -ähnliche Gewebemodell könnte eine effektivere Weise des Studierens Hirnverletzungen bieten .
"Mit dem System, das wir haben, können Sie im Wesentlichen verfolgen die Gewebereaktion auf Schädelhirntrauma in Echtzeit ", erklärt er . "Am wichtigsten ist , können Sie auch starten, um die Reparatur zu verfolgen und was über längere Zeit geschieht . "
Aber die Vorteile dieses Modells ist noch nicht alles . Kaplan stellt fest, dass das Gehirn artiges Gewebe überlebten mehr als 2 Monate , also könnte es den Forschern ermöglichen, einen besseren Einblick in eine Reihe von Störungen des Gehirns zu gewinnen :
"Die Tatsache , dass wir diese Gewebe monatelang im Labor zu halten bedeutet, wir können beginnen, bei neurologischen Erkrankungen in einer Weise , dass man nicht anders , weil Sie lange Zeiträume , um einige der wichtigsten Hirnerkrankungen zu suchen. "
"Good Modelle ermöglichen feste Hypothesen, die gründlich getestet werden kann. Die Hoffnung ist, dass die Verwendung dieses Modells könnte zu einer Beschleunigung von Therapien für Hirnfunktionsstörung sowie Angebot führen, einen besseren Weg zu normalen Physiologie des Gehirns zu untersuchen ", so Hunziker .
Die Forscher sagen, sie wollen nun das Modell zwicken sie noch ähnlich wie das Gehirn zu machen. Sie haben bereits festgestellt, dass sie die Doughnut Gerüst anpassen, um sechs Ringen, von denen jeder mit verschiedenen Neuronen kolonisiert integrieren. Diese , das Team sagt , würde die sechs Schichten der menschlichen Hirnrinde simulieren.
Im vergangenen Jahr berichtet Medical News Today auf einer Studie in der Zeitschrift Nature veröffentlicht und enthüllt , wie Wissenschaftler erfolgreich gewachsen "Mini- Gehirn" aus Stammzellen .