Wetenschappers zijn al jaren bezig met het creëren van ‘organoïden’ in de hersenen, maar er zijn grenzen aan kleine culturen die in het laboratorium worden gekweekt. Een van de meest frustrerende problemen is het gebrek aan controle over het ontwerp ervan, wat vaak de functionaliteit en het gebruik van organoïden beperkt. Hoewel onderzoekers al lang vermoedden dat 3D-printen een oplossing zou kunnen bieden, is een oplossing tot nu toe moeilijk en ineffectief gebleken. Nieuwe ontwikkelingen in de productie zouden echter een al lang bestaande barrière kunnen oplossen en op een dag nieuwe manieren kunnen bieden om behandelingen voor ziekten zoals Parkinson en Alzheimer te onderzoeken.
Zoals beschreven in het nieuwe nummer van het tijdschrift Cel StamcelOnderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben een nieuwe 3D-printaanpak ontwikkeld om culturen te creëren die groeien en zich gedragen als hersenweefsel. Terwijl bij traditioneel 3D-printen sprake is van het verticaal aanbrengen van “bio-inkt” als een taart, gaf het team hun machine in plaats daarvan de opdracht om horizontaal te printen, alsof ze dominostenen speelden.
Verwant: Een ‘hersenorganoïde’ biochip heeft serieuze stemherkenning en wiskundige vaardigheden getoond.]
Als Nieuwe Atlas legt uit, plaatsten de onderzoekers neuronen gekweekt uit pluripotente stamcellen (die in staat zijn om veel verschillende soorten cellen te worden) in een nieuwe bio-inktgel gemaakt van fibrinogeen en trombine, biomaterialen die betrokken zijn bij de bloedstolling. Het toevoegen van andere hydrogels hielp vervolgens om de bio-inkt los te maken om de drie aan te pakken die we tegenkwamen tijdens eerdere 3D-geprinte weefselexperimenten.
Volgens Su-Chun Zhang, hoofdauteur van de studie en hoogleraar neurowetenschappen en neurologie aan UW-Madison, is het resulterende weefsel elastisch genoeg om zijn structuur te behouden, maar ook flexibel genoeg om voldoende zuurstof- en voedingsstoffen voor neuronen mogelijk te maken.
“Het weefsel heeft nog steeds voldoende structuur om het bij elkaar te houden, maar het is zacht genoeg om neuronen in elkaar te laten groeien en met elkaar te laten praten”, legt Zhang uit in een recent universitair profiel.
Vanwege hun horizontale constructie vormden de nieuwe weefselcellen niet alleen verbindingen binnen elke laag, maar ook daartussen, net zoals menselijke neuronen. De nieuwe structuren zouden kunnen interageren door de productie van neurotransmitters en zelfs ondersteunende cellulaire netwerken kunnen creëren binnen het 3D-geprinte weefsel.
Bij deze experimenten printte het team beide culturen van de hersenschors en het striatum. Hoewel het verantwoordelijk is voor heel verschillende functies – de eerste houdt verband met gedachten, taal en vrijwillige bewegingen; dit laatste houdt verband met visuele informatie: de twee 3D-geprinte weefsels kunnen nog steeds communiceren, “op een heel speciale en specifieke manier”, zei Zhang.
De onderzoekers geloven dat hun techniek niet beperkt is tot het creëren van alleen deze twee soorten culturen, maar hypothetisch gezien “vrijwel elk type neuron” [sic] op elk moment”, zegt Zhang. Dit betekent dat de 3D-printmethode uiteindelijk zou kunnen helpen bestuderen hoe gezonde delen van de hersenen interageren met delen die zijn getroffen door de ziekte van Alzheimer, door celsignaleringsroutes bij het syndroom van Down te onderzoeken en het weefsel te gebruiken om nieuwe medicijnen te testen.
“Ons brein werkt in netwerken”, legde Zhang uit. “Op deze manier willen we hersenweefsel printen omdat cellen niet op zichzelf werken. Ze praten met elkaar. Dit is hoe onze hersenen werken en we moeten het allemaal op deze manier bestuderen om het echt te begrijpen.”