3D-geprinte hersenachtige omgeving stimuleert groei van neuronen

Een 3D-geprinte hersenachtige omgeving ontwikkeld door de TU Delft maakt het mogelijk neuronen te laten groeien zoals zij dat doen in echte hersenen. De omgeving omvat minuscule nanopilaren, die een zachte, hersenachtige structuur en extracellulaire matrixvezels in de hersenen nabootsen. Het model maakt het mogelijk nieuwe inzichten op te doen in de wijze waarop neuronen netwerken vormen. Ook kan het dienen als en tool om dit proces te kunnen veranderen, wat kansen biedt bij neurologische aandoeningen als Alzheimer, de ziekte van Parkinson en autismespectrumstoornissen.

Neuronen zijn gespecialiseerde cellen in het zenuwstelsel die elektrische en chemische signalen doorgeven. Ze vormen de basis van hersenfunctie en zenuwcommunicatie, en worden ook wel gezien als de bouwstenen van de hersenen. De cellen zijn gespecialiseerd in het overbrengen van informatie naar andere zenuwcellen, spiercellen en kliercellen.

Neuronen reageren op de stijfheid en vorm van hun omgeving

Net als veel andere cellen reageren neuronen op de stijfheid en vorm van hun omgeving. Een traditionele petrischaal is echter hard en plat, terwijl de omgeving in de hersenen juist zacht en vezelig is. Dit kan de werking van neuronen in een petrischaal dan ook beïnvloeden. Het team van Angelo Accardo ontwikkelde 3D-geprinte hersenachtige omgeving om de hersenomgeving zo goed mogelijk na te bootsen.

De omgeving omvat nanopilaren, die ieder duizend keer dunner zijn dan een menselijke haar. Door het aanpassen van de breedte en hoogte van de pilaren konden de onderzoekers hun schuifmodulus afstemmen. De schuifmodus is een mechanische eigenschap die cellen waarnemen indien zij over micro- of nanostructuren kruipen.

Neuronen misleiden

Accardo licht toe: “Dit misleidt de neuronen zodat ze denken dat ze in een zachte, hersenachtige omgeving zijn, hoewel het materiaal van de nanopilaren zelf stijf is. Omdat ze buigen doordat neuronen over hen heen kruipen, simuleren de nanopilaren niet alleen de zachtheid van hersenweefsel, maar bieden ze ook een 3D- structuur waar neuronen zich aan kunnen vastklampen, net zoals de extracellulaire matrixvezels in echt hersenweefsel.”

Het model is door de onderzoekers getest met drie soorten neuronen, afkomstig uit hersenen van muizen of menselijke stamcellen. Hierbij groeiden de neuronen op reguliere petrischalen alle kanten op. Op de 3D-geprinte nanopilaren groeiden zij echter in georganiseerde patronen, en vormden zij netwerken onder bepaalde hoeken.

Groeikegels gedragen zich anders

Daarnaast laat het onderzoek van het team van Accardo zien dat de groeikegels van neuronen zich anders gedragen dankzij de aanwezigheid van nanopilaren. “Normaal gesproken spreiden de uiteinden van de groeikegels zich plat uit,” aldus Accardo. “Maar op de nanopilaren vormden de groeikegels lange, vingerachtige uitsteeksels, waarmee ze alle kanten op verkenden, niet alleen in een vlak, maar ook in 3D, zoals in echte hersenen.”

Ook blijkt dat neuronen op nanopilaren sneller volwassen worden. Cellen lieten adarbij meer tekenen zien van rijping dan op platte oppervlakken zoals een petrischaal. George Flamourakis, eerste auteur van de studie, legt uit: “Het model beïnvloedt dus niet alleen hoe neuronen groeien, maar stimuleert ze ook volwassen te worden.”

Accardo wijst erop dat het gebruik van een gel als zachte omgeving geen uitkomst biedt. “Het probleem met gels zoals collageen is dat ze van batch tot batch kunnen verschillen en dat ze geen geometrische eigenschappen hebben,” zegt Accardo. “De nanopilaren combineren het beste van beide werelden: een zachte omgeving met nanoschaalstructuren die consistent en reproduceerbaar zijn.”

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Beeld: aziz enn via Pixabay