02 (Nanowerk-Neuigkeiten) Ein Team von Wissenschaftlern der University of Wisconsin-Madison hat das erste 3D-gedruckte Gehirngewebe entwickelt, das wie typisches Gehirngewebe wachsen und funktionieren kann. Dies ist eine Errungenschaft mit wichtigen Auswirkungen für Wissenschaftler, die das Gehirn erforschen und an Behandlungen für ein breites Spektrum neurologischer und neurologischer Entwicklungsstörungen wie Alzheimer und Parkinson arbeiten. „Dies könnte ein äußerst leistungsfähiges Modell sein, das uns hilft zu verstehen, wie Gehirnzellen und Teile des Gehirns beim Menschen kommunizieren“, sagt Su-Chun Zhang, Professorin für Neurowissenschaften und Neurologie am Waisman Center der UW-Madison. „Es könnte die Art und Weise verändern, wie wir die Stammzellbiologie, die Neurowissenschaften und die Pathogenese vieler neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen betrachten.“ Laut Zhang und Yuanwei Yan, einem Wissenschaftler in Zhangs Labor, haben Druckmethoden den Erfolg früherer Versuche, Gehirngewebe zu drucken, eingeschränkt. Die Gruppe hinter dem neuen 3D-Druckverfahren beschrieb ihre Methode in der Zeitschrift Cell Stammzelle („3D-Biodruck von menschlichem Nervengewebe mit funktioneller Konnektivität“). Anstatt den traditionellen 3D-Druck-Ansatz zu verwenden, bei dem Schichten vertikal gestapelt wurden, gingen die Forscher horizontal vor. Sie platzierten Gehirnzellen, Neuronen, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen gewachsen waren, in einem weicheren „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 sprechen 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, ausreichend Sauerstoff und Nährstoffe aus dem Wachstumsmedium zu bekommen“, sagt Yan. Die Ergebnisse sprechen für sich – das heißt, die Zellen können miteinander sprechen. Die gedruckten Zellen durchdringen das Medium und bilden Verbindungen innerhalb jeder gedruckten Schicht sowie über Schichten hinweg und bilden Netzwerke, die mit menschlichen Gehirnen vergleichbar sind. Die Neuronen kommunizieren, senden Signale, interagieren über Neurotransmitter miteinander und bilden sogar richtige Netzwerke mit Stützzellen, die dem gedruckten Gewebe hinzugefügt wurden. „Wir haben die Großhirnrinde und das Striatum ausgedruckt und das, was wir fanden, war ziemlich beeindruckend“, sagt Zhang. „Selbst wenn wir verschiedene Zellen aus verschiedenen Teilen des Gehirns druckten, konnten sie immer noch auf ganz besondere und spezifische Weise miteinander kommunizieren.“ Die Drucktechnik bietet Präzision – Kontrolle über die Art und Anordnung der Zellen –, die in Gehirnorganoiden, Miniaturorganen, die zur Untersuchung von Gehirnen verwendet werden, nicht zu finden ist. Die Organoide wachsen mit weniger Organisation und Kontrolle. „Unser Labor ist insofern etwas ganz Besonderes, als wir in der Lage sind, praktisch jede Art von Neuronen jederzeit zu produzieren. Dann können wir sie fast jederzeit und auf die Art und Weise zusammensetzen, die wir möchten“, sagt Zhang. „Da wir das Gewebe gezielt drucken können, können wir über ein definiertes System verfügen, um zu untersuchen, wie unser menschliches Gehirnnetzwerk funktioniert. Wir können uns ganz genau ansehen, wie die Nervenzellen unter bestimmten Bedingungen miteinander kommunizieren, weil wir genau das drucken können, was wir wollen.“ Diese Besonderheit bietet Flexibilität. Das gedruckte Gehirngewebe könnte verwendet werden, um die Signalübertragung zwischen Zellen beim Down-Syndrom, Wechselwirkungen zwischen gesundem Gewebe und benachbartem, von Alzheimer betroffenem Gewebe zu untersuchen, neue Medikamentenkandidaten zu testen oder sogar das Wachstum des Gehirns zu beobachten. „In der Vergangenheit haben wir oft nur auf eine Sache geschaut, wodurch uns oft einige kritische Komponenten entgangen sind. Unser Gehirn arbeitet in Netzwerken. Wir wollen Gehirngewebe auf diese Weise drucken, weil Zellen nicht selbstständig funktionieren. Sie reden miteinander. So funktioniert unser Gehirn und es muss auf diese Weise untersucht werden, um es wirklich zu verstehen“, sagt Zhang. „Unser Gehirngewebe könnte verwendet werden, um fast jeden wichtigen Aspekt dessen zu untersuchen, woran viele Menschen im Waisman Center arbeiten. Es kann verwendet werden, um die molekularen Mechanismen zu untersuchen, die der Gehirnentwicklung, der menschlichen Entwicklung, Entwicklungsstörungen, neurodegenerativen Störungen und mehr zugrunde liegen.“ Auch für viele Labore soll die neue Drucktechnik zugänglich sein. Es sind keine speziellen Biodruckgeräte oder Kultivierungsmethoden erforderlich, um das Gewebe gesund zu halten, und es kann mit Mikroskopen, Standardbildgebungstechniken und in der Praxis bereits üblichen Elektroden eingehend untersucht werden. Die Forscher möchten jedoch das Potenzial einer Spezialisierung erkunden, ihre Biotinte weiter verbessern und ihre Ausrüstung verfeinern, um spezifische Ausrichtungen von Zellen in ihrem gedruckten Gewebe zu ermöglichen. „Im Moment handelt es sich bei unserem Drucker um einen kommerziellen Tischdrucker“, sagt Yan.

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/news2/gadget/newsid=64573.php