211service.com
Wetenschappers kweken 3D menselijke hersenweefsels
Wetenschappers van het Instituut voor Moleculaire Biotechnologie in Wenen, Oostenrijk, hebben driedimensionale menselijke hersenweefsels gekweekt uit stamcellen. De weefsels vormen discrete structuren die worden gezien in de zich ontwikkelende hersenen.
Mini-brein: Een organoïde afgeleid van stamcellen bevat verschillende hersengebieden. Groen toont neuronen en roze/rood toont neuronale stamcellen.
De Weense onderzoekers ontdekten dat onrijpe hersencellen afkomstig van stamcellen zichzelf onder de juiste kweekomstandigheden organiseren in hersenachtige weefsels. De cerebrale organoïden, zoals de onderzoekers ze noemen, groeiden tot ongeveer vier millimeter groot en konden wel 10 maanden overleven. Al tientallen jaren zijn wetenschappers in staat om cellen van dieren, inclusief mensen, te nemen en deze in een petrischaal te laten groeien, maar voor het grootste deel is dit in twee dimensies gedaan, waarbij de cellen in een dunne laag in petrischalen zijn gegroeid. Maar de afgelopen jaren hebben onderzoekers geavanceerde weefselkweektechnieken ontwikkeld, zodat driedimensionaal hersenweefsel in het laboratorium kan groeien. Het nieuwe rapport van het Oostenrijkse team toont aan dat het toestaan van onrijpe hersencellen om zichzelf te organiseren een aantal van de grootste en meest complexe in het laboratorium gekweekte hersenweefsel oplevert, met verschillende subregio's en tekenen van functionele neuronen.
De het werk , gepubliceerd in Natuur op woensdag is de laatste vooruitgang op een gebied dat gericht is op het creëren van meer levensechte weefselculturen van neuronen en verwante cellen voor het bestuderen van hersenfunctie, ziekte en herstel. Met een gecultiveerd celmodelsysteem dat de natuurlijke architectuur van de hersenen nabootst, zouden onderzoekers kunnen kijken naar hoe bepaalde ziekten voorkomen en mogelijke medicijnen screenen op toxiciteit en werkzaamheid in een meer natuurlijke omgeving, zegt Anja Kunze , een neuro-ingenieur aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, die driedimensionale hersenweefselculturen heeft ontwikkeld om de ziekte van Alzheimer te bestuderen.
De Oostenrijkse onderzoekers hebben gekweekte neuronen overgehaald om een driedimensionale organisatie aan te nemen met behulp van celvriendelijke steigermaterialen in de culturen. Het team liet de neuronvoorlopers ook hun eigen lot bepalen. Stamcellen hebben een verbazingwekkend vermogen om zichzelf te organiseren, zei hoofdonderzoeker Madeline Lancaster dinsdag tijdens een persconferentie. Andere groepen hebben onlangs ook succes geboekt bij het toestaan van voorlopercellen om zichzelf te organiseren, wat heeft geleid tot meldingen van primitieve oogstructuren, leverknoppen en meer (zie Oogbollen laten groeien en een rudimentaire lever wordt gekweekt uit stamcellen ).
Het hersenweefsel vormde discrete regio's die te vinden zijn in de vroege ontwikkeling van de menselijke hersenen, inclusief regio's die lijken op delen van de cortex, het netvlies en structuren die hersenvocht produceren. Op de persconferentie, senior auteur Jürgen Knoblich zei dat hoewel er talloze pogingen zijn geweest om menselijk hersenweefsel te modelleren in een cultuur met menselijke cellen, het complexe menselijke orgaan moeilijk te repliceren is gebleken. Knoblich zegt dat het proto-brein lijkt op het ontwikkelingsstadium van het brein van een negen weken oude foetus.
Terwijl de groep van Knoblich zich richt op ontwikkelingsvragen, ontwikkelen andere groepen driedimensionale hersenweefselculturen in de hoop degeneratieve ziekten of hersenletsel te behandelen. Een groep van het Georgia Institute of Technology heeft een driedimensionale neurale cultuur ontwikkeld om hersenletsel te bestuderen, met als doel het identificeren van biomarkers die kunnen worden gebruikt om hersenletsel te diagnosticeren en mogelijke medicijndoelen voor medicijnen die gewonde neuronen kunnen repareren. Het is belangrijk om de cellulaire architectuur van de hersenen zoveel mogelijk na te bootsen, omdat de mechanische respons van dat weefsel erg afhankelijk is van de 3D-structuur, zegt biomedisch ingenieur Michelle LaPlaca van Georgia Tech. Fysieke beledigingen van cellen in een driedimensionale cultuur leggen de nadruk op verbindingen tussen cellen en ondersteunend materiaal dat bekend staat als de extracellulaire matrix, zegt ze.
Andere onderzoekers ontwikkelen driedimensionale hersenweefselculturen om fundamentele vragen over de werking van de hersenen te beantwoorden. Utkan Demirci , een biomedisch ingenieur aan de Harvard Medical School en een 2006 MIT Technology Review Innovator Under 35 meldde eerder dit jaar dat microfabricagetechnieken zijn groep in staat stelden om driedimensionale neuronculturen te construeren. Het laboratorium van Demirci gebruikt nu elektrische opnamen en andere functionele onderzoeken om aan te tonen dat er synaptische activiteit is tussen de neuronen. Als je deze cellen in drie dimensies kweekt, kunnen de armen van de neuronen zich uitstrekken zoals ze doen in natuurlijke weefsels en een circuit bouwen, zegt hij. Als we eenmaal hebben aangetoond dat deze functioneel zijn, kunnen we er veel interessante onderzoeken mee doen, waaronder onderzoeken naar hersenkartering.
Na het succes van hun methoden met muisstamcellen te hebben bevestigd, gebruikten Knoblich, Lancaster en collega's de methoden om een genetische ontwikkelingsstoornis bij de mens te bestuderen die microcefalie veroorzaakt, een aandoening waarbij de hersengrootte aanzienlijk wordt verminderd en die gepaard gaat met ernstige cognitieve handicaps. Het team werkte samen met een kinderneuroloog om huidcellen te verkrijgen van een patiënt met microcefalie. Uit deze cellen creëerde het team geïnduceerde pluripotente stamcellen (zie TR10: Engineered Stem Cells). De onderzoekers herprogrammeerden deze cellen vervolgens genetisch tot primitieve neuronen en kweekten ze met een paar stappen in een cerebrale organoïde waarin ze hints konden verzamelen over de oorsprong van de ziekte.
In de toekomst zou het team het hersenweefselsysteem willen gebruiken om schizofrenie en autisme te bestuderen - cognitieve stoornissen die meestal worden gediagnosticeerd bij adolescenten of volwassenen, maar waarvan wordt gedacht dat ze in de vroege hersenontwikkeling beginnen.