Forskare bygger första funktionella 3d-hjärnvävnadsmodellen


Forskare bygger första funktionella 3d-hjärnvävnadsmodellen

Att uppnå en större förståelse för den mänskliga hjärnan är något forskare har länge strävat efter men har haft svårt med tanke på organs komplexitet och utmaningarna i att studera sin fysiologi i en levande kropp. Nu har forskare från Tufts University i Medford, MA, skapat en 3D-vävnadsmodell som kan efterlikna hjärnfunktioner.

Denna mikroskopbild visar neuroner (gul) som är fästa på silkesbaserade ställningen (blå).

Bildkredit: Tufts University

Forskargruppen, inklusive senior författare David Kaplan, doktor, Stern Family professor och professor i biomedicinsk teknik vid Tufts School of Engineering, säger att modellen bana väg för nya studier om hjärnfunktion, skada och sjukdom och behandling.

De publicerade nyligen sina resultat i Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS) .

För att studera funktionen av hjärnneuroner växer forskare för närvarande i petriskålar. Men den komplicerade strukturen i hjärnvävnaden - som består av segregerade områden av grå och vit materia - kan inte dupliceras med dessa 2D-neuroner.

Gråämne består huvudsakligen av neuroncellkroppar, och vitämnen består av buntar av nervfibrer eller axoner. Dessa axoner är ansvariga för att överföra signaler mellan neuroner.

När hjärnan är utsatt för skada eller sjukdom, påverkas den grå och vita substansen på olika sätt, vilket innebär att det finns ett behov av hjärnvävnadsmodeller som gör att varje av dessa områden kan studeras separat.

"Det finns få bra alternativ för att studera den levande hjärnans fysiologi, men det är kanske en av de största områdena av obehindrat kliniskt behov när man överväger behovet av nya möjligheter att förstå och behandla ett brett spektrum av neurologiska störningar i samband med hjärnan, Säger Kaplan.

Forskare har nyligen försökt skapa funktionell hjärnvävnad genom att odla neuroner i 3D-kollagengel-bara miljöer men utan framgång. Sådana modeller har dött snabbt och har misslyckats med att producera tillräckligt stark vävnadsnivåfunktion.

Men Tufts-teamet har funnit ett sätt att skapa funktionell 3D-hjärnliknande vävnad som inte bara innehåller segregerade grå- och vita matterregioner, men det kan också leva i mer än 9 veckor.

Hur skapades den 3D-hjärnliknande vävnaden?

För det första kombinerade Kaplan och kollegor två biomaterial: ett silkeprotein och en kollagenbaserad gel. Silkeproteinet fungerade som en svampig byggnadsställning till vilken neuroner fästes, medan gelén uppmuntrade nervvävstillväxten.

Diagrammet visar byggnadsdonet och de olika områdena grå och vit materia.

Bildkredit: National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering

Forskarna skar sedan den svampiga ställningen i form av en munk och koloniserar den med råttneuroner innan de fyller mitten av munen med den kollagenbaserade gelén, som infiltrerade hela ställningen.

Teamet fann att neuronerna skapade funktionella nätverk runt byggnadsställen på bara några dagar, och nervfibrerna passerade genom gelén i mitten av munstycket för att ansluta sig till neuroner på andra sidan. Detta skapade separata grå- och vita materiaområden.

Forskarna genomförde sedan en serie experiment på 3D-hjärnliknande vävnad för att testa hälsan och funktionen hos dess neuroner, och jämföra dem med neuroner som odlas med hjälp av den befintliga 2D-metoden eller i en gel-bara miljö.

Kaplan och kollegor hittade högre uttryck av gener som är involverade i neurontillväxt och funktion i 3D-hjärnliknande vävnad.

Neuronerna som odlades i 3D-liknande hjärnvävnad visade stabil metabolisk aktivitet i nästan 5 veckor, medan sådan aktivitet i neuroner som odlades i en gel-bara miljö började blekna inom 24 timmar. Vidare ses elektrisk aktivitet och respons som liknar den som finns i den intakta hjärnan i 3D-hjärnliknande vävnadsneuroner.

Rosemarie Hunziker, doktor, programchef på vävnadsteknik vid National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, som finansierade studien, kommenterar denna skapelse säger:

Detta arbete är en exceptionell prestation. Det kombinerar en djup förståelse för hjärnfysiologi med en stor och växande serie bioengineeringsverktyg för att skapa en miljö som är både nödvändig och tillräcklig för att efterlikna hjärnans funktion."

Modellen kan förbättra studier av hjärnfunktion, skada och sjukdom

Eftersom 3D-hjärnliknande vävnad verkade funktionell, ville laget se om deras modell skulle kunna vara användbar för att studera traumatisk hjärnskada (TBI).

De simulerade en TBI genom att släppa vikter på modellen från olika höjder. De fann att den kemiska och elektriska aktiviteten i vävnadens neuroner förändrades efter TBI, vilket forskarna säger liknar observationer som rapporterats i djurstudier av TBI.

Enligt Kaplan visar detta resultat att 3D-hjärnliknande vävnadsmodell kan ge ett effektivare sätt att studera hjärnskada.

"Med det system vi har kan du väsentligen spåra vävnadssvaret mot traumatisk hjärnskada i realtid," förklarar han. "Viktigast kan du också börja spåra reparation och vad som händer under längre perioder."

Men fördelarna med denna modell slutar inte där. Kaplan konstaterar att hjärnliknande vävnad överlevde i mer än 2 månader, vilket innebär att det kan ge forskare en bättre inblick i en rad hjärnstörningar:

Det faktum att vi kan behålla denna vävnad i flera månader i labbet innebär att vi kan börja titta på neurologiska sjukdomar på sätt som du inte annars kan eftersom du behöver långa tidsramar för att studera några av de viktigaste hjärnans sjukdomar."

"Bra modeller möjliggör solida hypoteser som kan grundligt testas. Förhoppningen är att användningen av denna modell kan leda till en acceleration av behandlingar för hjärndysfunktion och erbjuda ett bättre sätt att studera normal hjärnfysiologi," tillägger Hunziker.

Forskarna säger att de nu planerar att finjustera modellen för att göra den ännu mer lik hjärnan. De har redan funnit att de kan justera munkstället för att innehålla sex ringar, vilka var och en kan koloniseras med olika neuroner. Detta, laget säger, skulle simulera de sex skikten i den mänskliga hjärnbarken.

Förra året, Medical-Diag.com Rapporterade på en studie publicerad i tidningen Natur , Avslöja hur forskare framgångsrikt växte "mini-hjärnor" från stamceller.

Anthony Atala: Growing new organs (Video Medicinsk Och Professionell 2019).

Avsnitt Frågor På Medicin: Medicinsk praktik