Onderzoekers gebruikten menselijke neurale stamcellen om driedimensionaal functioneel hersenweefsel te printen dat de structuur van de hersenschors, de buitenste laag van de hersenen, nabootst. Deze baanbrekende technologie belooft gepersonaliseerde reparatie van hersenletsel te bieden.Onze hersenen hebben delicate en complexe structuren die kunnen worden beschadigd door trauma, beroerte, epilepsie en tumorverwijderingschirurgie, wat resulteert in problemen met communicatie, beweging en cognitie. Geïmplanteerde stamcellen hebben het potentieel om beschadigd hersenweefsel terug te laten groeien, maar tot nu toe was het gebruik van stamcellen om de hersenstructuur opnieuw op te bouwen moeilijk.
In een nieuwe studie gebruikten onderzoekers van de Universiteit van Oxford het 3D-printen van menselijke neurale stamcellen om dubbellaags hersenweefsel te creëren dat structureel en functioneel geïntegreerd was met het hersenweefsel van muizen.
Linna Zhou, een van de corresponderende auteurs van het onderzoek, zei: "Onze druppelprinttechnologie biedt een manier om levende driedimensionale weefsels met de gewenste structuur te ontwerpen, wat ons dichter bij het creëren van gepersonaliseerde implantaattherapieën voor hersenletsel brengt."
Door mensen geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPSC's) hebben een groot potentieel bij weefselregeneratietherapie. Het zijn kunstmatige stamcellen die zijn afgeleid van somatische cellen die genetisch zijn geherprogrammeerd in een staat die vergelijkbaar is met embryonale stamcellen, waardoor ze het unieke vermogen hebben om zich te differentiëren tot elk celtype in het lichaam.
In de huidige studie hebben de onderzoekers hiPSC's eerst gedifferentieerd in twee soorten neurale voorlopercellen, die worden gebruikt om de bovenste en diepere lagen van de hersenschors te vormen. Deze laagspecifieke voorlopercellen werden gebruikt om twee bio-inkten te creëren en in gelaagde weefsels te printen met behulp van driedimensionale druppelprinttechnologie. Men liet de gedrukte voorlopercellen rijpen en hun groei en activiteit werden gedurende een week gevolgd voordat het gelaagde weefsel in levend muizenhersenweefsel werd geïmplanteerd.
Het geïmplanteerde weefsel vertoonde een nauwe integratie met de hersencellen van muizen, inclusief de vorming van neuronale processen - de vingerachtige processen die zenuwsignalen geleiden en overbrengen - en de migratie van neuronen over de grens tussen het implantaat en de gastheer. De geïmplanteerde cellen vertoonden ook signaalactiviteit geassocieerd met de gastheercellen, wat aangeeft dat de cellen met elkaar communiceerden en functionele en structurele integratie vertoonden.
Zoltán Molnár, een andere corresponderende auteur van de studie, zei: "De ontwikkeling van het menselijk brein is een subtiel en delicaat proces met complexe orkestratie. Het zou naïef zijn om te denken dat we het hele cellulaire ontwikkelingsproces in het laboratorium kunnen reproduceren. Ons 3D-printproject laat echter zien dat we substantiële vooruitgang hebben geboekt bij het beheersen van het lot en de opstelling van menselijke iPSC's om de functionele basiseenheden van de hersenschors te vormen."
Omdat de menselijke hersenschors maar liefst zes lagen zenuwcellen heeft, zijn de onderzoekers van plan de driedimensionale druppelprinttechnologie te verbeteren om complexere meerlaagse weefsels te creëren om hersenstructuren realistischer te simuleren. Naast dat het bedrukte weefsel mogelijk wordt gebruikt om hersenschade te herstellen, zeggen ze dat het ook kan worden gebruikt voor medicijntests, onderzoek naar hersenontwikkeling en het verbeteren van ons begrip van cognitie.
Jin Yongcheng, de eerste auteur van de studie, zei: "Deze vooruitgang markeert een belangrijke stap in onze inspanningen om materialen te creëren met de volledige structuur en functie van natuurlijk hersenweefsel. Dit werk zal een unieke kans bieden om de werkingsprincipes van de menselijke hersenschors te onderzoeken, en op de lange termijn zal het hoop brengen voor patiënten met hersenletsel."
Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.