Forskere bygger første funktionelle 3d-hjernevævsmodel


Forskere bygger første funktionelle 3d-hjernevævsmodel

At opnå en større forståelse af den menneskelige hjerne er noget forskere længe har stræbt efter, men har fundet det vanskeligt på grund af organs kompleksitet og udfordringerne ved at studere sin fysiologi i en levende krop. Nu har forskere fra Tufts University i Medford, MA, oprettet en 3D-vævsmodel, der kan efterligne hjernefunktioner.

Dette mikroskopbillede viser neuroner (gul), der er fastgjort til silkebaseret stillads (blå).

Billedkredit: Tufts University

Forskerholdet, herunder seniorforfatter David Kaplan, ph.d., Stern Family professor og professor i biomedicinsk teknik ved Tufts School of Engineering, siger, at modellen baner vejen for nye undersøgelser af hjernefunktion, skade og sygdom og behandling.

De offentliggjorde for nylig deres resultater i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) .

For at studere funktionen af ​​hjerneneuroner vokser forskere i øjeblikket i petriskåle. Men den komplicerede struktur af hjernevæv - som består af segregerede områder af grå og hvidt stof - kan ikke duplikeres med disse 2D neuroner.

Grå stof består hovedsagelig af neuroncellelegemer, og hvidt stof består af bundter af nervefibre eller axoner. Disse axoner er ansvarlige for at sende signaler mellem neuroner.

Når hjernen er udsat for skade eller sygdom, påvirkes det grå og hvide stof på forskellige måder, hvilket betyder, at der er behov for hjernevævsmodeller, der gør det muligt for hver af disse områder at blive undersøgt separat.

"Der er få gode muligheder for at studere den levende hjerne fysiologi, men det er måske et af de største områder af uomdannet klinisk behov, når du overvejer behovet for nye muligheder for at forstå og behandle en lang række neurologiske lidelser forbundet med hjernen, "Siger kaplan.

Forskere har for nylig forsøgt at skabe funktionelt hjernevæv ved at vokse neuroner i 3D-kollagen gel-kun miljøer, men uden succes. Sådanne modeller er døde hurtigt og har undladt at producere stærk nok vævsniveaufunktion.

Men Tufts-teamet har fundet en måde at skabe funktionelt 3D-hjerneagtigt væv, der ikke kun inkorporerer segregerede grå og hvide stofområder, men det kan også leve i mere end 9 uger.

Hvordan blev det 3D-hjerneagtige væv skabt?

For det første kombinerede Kaplan og kolleger to biomaterialer: et silkeprotein og en kollagenbaseret gel. Silkeproteinet fungerede som en svampet stillads, hvortil neuroner blev bundet, mens gelen opmuntrede til nervevirkning.

Dette diagram viser stilladsdoughnut og de forskellige områder af grå og hvidt materiale.

Billedkredit: National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering

Forskerne skar derefter den svampede stillads i form af en doughnut og koloniserede den med rotteneuroner, inden de fyldte midten af ​​doughnuten med den kollagenbaserede gel, som infiltrerede hele stilladset.

Teamet fandt ud af, at neuronerne skabte funktionelle netværk omkring stilladsudgange om få dage, og nervefibre passerede gennem gelen i midten af ​​doughnut for at forbinde neuroner på den anden side. Dette skabte separate grå og hvide stofområder.

Forskerne gennemførte derefter en række eksperimenter på det 3D-hjerneagtige væv for at teste sundhed og funktion af sine neuroner, og sammenligne dem med neuroner dyrket ved hjælp af den eksisterende 2D-metode eller i et gel-eneste miljø.

Kaplan og kollegaer fandt højere udtryk for gener involveret i neuron vækst og funktion i 3D hjernen-lignende væv.

Neuronerne dyrket i 3D-lignende hjernevæv viste stabil metabolisk aktivitet i næsten 5 uger, mens sådan aktivitet i neuroner, der blev dyrket i et gel-eneste miljø, begyndte at falme inden for 24 timer. Desuden blev elektrisk aktivitet og responslighed svarende til den, der blev fundet i den intakte hjerne, set i 3D-hjernelignende vævsneuroner.

Rosemarie Hunziker, ph.d.-programleder for vævsteknik ved National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, der finansierede undersøgelsen, udtaler om denne oprettelse:

Dette arbejde er en usædvanlig oplevelse. Det kombinerer en dyb forståelse af hjernens fysiologi med en stor og voksende serie bioengineering værktøjer til at skabe et miljø, der er både nødvendigt og tilstrækkeligt til at efterligne hjernens funktion."

Model kunne forbedre studier af hjernefunktion, skade og sygdom

Da det 3D hjerneagtige væv syntes funktionelt, ønskede holdet at se, om deres model kunne være nyttig til at studere traumatisk hjerneskade (TBI).

De simulerede en TBI ved at tabe vægt på modellen fra forskellige højder. De fandt ud af, at den kemiske og elektriske aktivitet i vævets neuroner ændrede sig efter TBI, som forskerne siger svarer til observationer rapporteret i dyreforsøg af TBI.

Ifølge Kaplan viser denne undersøgelse, at den 3D-hjernelignende vævsmodel kunne give en mere effektiv måde at studere hjerneskade på.

"Med det system vi har, kan du i det væsentlige spore vævsresponset til traumatisk hjerneskade i realtid," forklarer han. "Vigtigst er det, at du også kan begynde at spore reparation og hvad der sker over længere perioder."

Men fordelene ved denne model stopper ikke der. Kaplan bemærker, at det hjerneagtige væv overlevede i mere end 2 måneder, hvilket betyder, at det kunne give forskere mulighed for at få et bedre indblik i en række hjerneforstyrrelser:

At vi kan holde dette væv i flere måneder i laboratoriet betyder, at vi kan begynde at se på neurologiske sygdomme på måder, som du ikke kan ellers, fordi du har brug for lange tidsrammer for at studere nogle af de vigtigste hjerne sygdomme."

"Gode modeller muliggør solide hypoteser, der kan testes grundigt. Håbet er, at brugen af ​​denne model kan føre til en acceleration af behandlinger for hjerne dysfunktion samt tilbyde en bedre måde at studere normal hjernens fysiologi", tilføjer Hunziker.

Forskerne siger, at de nu planlægger at finjustere modellen for at gøre den endnu mere ligner hjernen. De har allerede fundet, at de kan justere doughnut stilladsen til at indarbejde seks ringe, som hver især kan koloniseres med forskellige neuroner. Dette, teamet siger, ville simulere de seks lag af den menneskelige hjerne cortex.

Sidste år, Medical-Diag.com Rapporteret om en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Natur , Afslørende hvordan forskere med succes voksede "mini-hjerner" fra stamceller.

Salvatore Iaconesi: What happened when I open-sourced my brain cancer (Video Medicinsk Og Professionel 2021).

Afsnit Spørgsmål På Medicin: Medicinsk praksis