Het brein kan heel snel leren en zich aanpassen omdat de neuronen in de hersenen netwerken vormen en signalen met elkaar uitwisselen. Onderzoekers van de TU Delft ontwikkelden met dat gegeven een 3D-geprinte hersenachtige omgeving waarin neuronen groeien zoals in ook echte hersenen gebeurt. Dit model biedt nieuwe inzichten in hoe neuronen de netwerken vormen. Ook kan het model worden ingezet om het proces te veranderen bij neurologische aandoeningen zoals Alzheimer, de ziekte van Parkinson en autismespectrumstoornissen.
Met piepkleine nanopilaren worden in de 3D-geprinte omgeving een zachte, hersenachtige structuur en de extracellulaire matrixvezels in de hersenen nagebootst. Net zoals veel andere cellen reageren ook neuronen op de stijfheid en de vorm van hun omgeving. Bijvoorbeeld bij een petrischaal. Dat hard en plat, terwijl de omgeving in de hersenen zacht en vezelig is. Om de hersenomgeving zo goed mogelijk na te bootsen, ontwierp het team van Angelo Accardo daarom nanopilaren met een geavanceerde 3D-printtechniek.
Misleiden van neuronen
Deze nanopilaren zijn duizend keer dunner dan een mensenhaar. Ze zijn als het ware gerangschikt als een klein bos op een oppervlakte. Door de breedte en de hoogte van de pilaren aan te passen, konden de onderzoekers hun schuifmodulus afstemmen. Deze schuifmodulus is een mechanische eigenschap die cellen waarnemen bij het kruipen over micro- of nanostructuren. 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. Eigenlijk net als bij de extracellulaire matrixvezels in echt hersenweefsel”, licht Accardo toe. En dit beïnvloedt hoe de neuronen groeien en verbindingen met elkaar maken.
De onderzoekers testten het model met drie soorten neuronen, afkomstig uit muizenhersenen of menselijke stamcellen. Op gewone, platte petrischalen groeiden de neuronen alle kanten op. Op de 3D-geprinte nanopilaren daarentegen groeiden ze in mooie, georganiseerde patronen en vormden ze netwerken onder bepaalde hoeken. De studie die is gepubliceerd in Advanced Functional Materials, liet ook zien dat de groeikegels van neuronen zich anders gedragen door deze pilaren.
Sneller volwassen
Volgens Accardo spreiden normaal gesproken de uiteinden van de groeikegels zich plat uit. 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. Een ander opvallend resultaat was dat de neuronen op de nanopilaren sneller volwassen werden. Volgens de eerste auteur van de studie, George Flamourakis, lieten cellen op de pilaren meer tekenen van rijping zien dan die op platte oppervlakken. De onderzoekers concluderen daaruit dat het model niet alleen beïnvloedt hoe neuronen groeien, maar ze ook stimuleert volwassen te worden.
Een Koreaans team van onderzoekers heeft onlangs nog een 3D-model ontwikkeld dat nauwkeurig de bloed-hersenbarrière in een laboratoriumomgeving nabootst. Het is ook een ontwikkeling die de zoektocht naar een behandelmethode voor Alzheimer en andere degeneratieve hersenaandoeningen vooruit kan helpen.
