Belangrijke cellen in de hersenen, neuronen, vormen netwerken door signalen met elkaar uit te wisselen, waardoor het brein razendsnel leert en zich aanpast. Onderzoekers van de TU Delft ontwikkelden een 3D-geprinte hersenachtige omgeving waarin neuronen groeien zoals in echte hersenen. Met piepkleine nanopilaren bootsen ze een zachte, hersenachtige structuur met o.a. extracellulaire matrixvezels in de hersenen na. Dit model biedt nieuwe inzichten in de vorming van neurale netwerken en kan dienen als een tool om dit proces te kunnen veranderen bij neurologische aandoeningen zoals Alzheimer, de ziekte van Parkinson en autismespectrumstoornissen. Dat meldt de TU Delft.
Net zoals veel andere cellen reageren neuronen op de stijfheid en vorm van hun omgeving. Een traditionele petrischaal is 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 nanopilaren met een geavanceerde 3D-printtechniek. Deze pilaren, elk duizend keer dunner dan een mensenhaar, zijn gerangschikt als een klein bos op een oppervlak.
Schuifmodulus
Door de breedte en hoogte van de pilaren aan te passen, konden de onderzoekers hun schuifmodulus afstemmen, 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, net zoals de extracellulaire matrixvezels in echt hersenweefsel", aldus Accardo. Dit beïnvloedt hoe de neuronen groeien en verbindingen met elkaar maken.
Groeikegels
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, maar op de 3D-geprinte nanopilaren groeiden ze in mooie, georganiseerde patronen en vormden ze netwerken onder bepaalde hoeken. De studie, gepubliceerd in Advanced Functional Materials, liet ook zien dat de groeikegels van neuronen zich anders gedragen door deze pilaren. “Normaal gesproken spreiden de uiteinden van de groeikegels zich plat uit”, legt Accardo 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 George Flamourakis, eerste auteur van de studie, lieten cellen op de pilaren meer tekenen zien van rijping dan die op platte oppervlakken. “Het model beïnvloedt dus niet alleen hoe neuronen groeien, maar stimuleert ze ook volwassen te worden.”
Maar als een zachte omgeving zo belangrijk is, waarom dan niet gewoon een gel gebruiken? “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.” Door beter na te bootsen hoe neuronen groeien en verbindingen maken, kan het model nieuwe inzichten bieden in de verschillen tussen gezonde hersennetwerken en die geassocieerd met neurologische aandoeningen, zoals Alzheimer, de ziekte van Parkinson en autismespectrumstoornissen.
Door: Nationale Onderwijsgids
