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Forscher der Duke University haben tagelange Zeitraffervideos von jungen Nervenzellen aufgenommen, die sich innerhalb einer neuartigen synthetischen biokompatiblen 3D-Struktur bewegen und wachsen. Indem sie buchstäblich beobachten, wie die Zellen auf natürliche biochemische Signale reagieren, die im Material eingebettet sind, hoffen biomedizinische Ingenieure, Biogele zu entwickeln, die Gehirngewebe nach einem Schlaganfall oder einem anderen Trauma reparieren und nachwachsen lassen können.

Die Ergebnisse erscheinen online am 22. Juni in der Zeitschrift Advanced Materials.

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Beobachten Sie, wie ursprüngliche Nervenzellen über 3D-Gerüste tanzen, hineinwachsen und diese sogar bewegen, die entwickelt wurden, um Hirnverletzungen durch Schlaganfall und andere Traumata zu heilen. Durch die Dekoration des Gerüsts mit verschiedenen Nährstoffen und biochemischen Signalen können Forscher steuern, zu welchen Arten von Gehirngewebe sie werden. Bildnachweis: Katrina Wilson und Ken Kingery, Duke University.

Die Reparatur und das Nachwachsen von Hirngewebe ist eine schwierige Aufgabe. Wenn das Gehirn auf sich allein gestellt ist, regeneriert es verlorene Synapsen, Blutgefäße oder andere Strukturen nicht, nachdem es eine Verletzung, beispielsweise einen Schlaganfall, erlitten hat. Stattdessen wird abgestorbenes Hirngewebe absorbiert und es entsteht ein Hohlraum, in dem sich nichts befindet, was als gesundes Hirngewebe erkennbar ist.

Aber das hat Forscher trotzdem nicht davon abgehalten, geschädigte Gehirne zu regenerieren. Ein gängiger Ansatz biomedizinischer Ingenieure besteht darin, ein neues Medium bereitzustellen, in das sich die verschiedenen Teile des Gehirngewebes bewegen können, das mit verschiedenen Nährstoffen und biologischen Anweisungen zur Förderung des Wachstums beladen ist.

Während Wissenschaftler auf diesem Gebiet in der Vergangenheit nach einem homogenen, gelatineartigen Biomaterial zur Unterstützung des Neuralwachstums gegriffen haben, hat Tatiana Segura, Professorin für Biomedizintechnik an der Duke University, einen anderen Ansatz entwickelt. Ihr Biomaterial, das alle Arten von Heilung und Wachstum fördern soll, besteht aus Millionen winziger Gelatinekügelchen, die zu einem stabilen Gerüst zusammengepackt sind.

„Die meisten anderen Labore verwenden nichtporöse Hydrogele, die wie ein riesiges Stück Wackelpudding aussehen, und die Zellen müssen es auffressen, bevor sie Material zum Nachwachsen ablegen können“, sagte Segura. „Unsere ähneln eher weichen Orangen, die in einer Schachtel verpackt sind, die eine Reihe von Taschen und Hohlräumen bietet, durch die sich Zellen bewegen und hineinwachsen können.“

Der „Box-of-Orangen“-Ansatz – sogenannte MAP-Gerüste (Microporous Annealed Particle) – hat sich in einer Vielzahl von Geweben wie Haut und Knochen als vielversprechend erwiesen. Und im Jahr 2018 wurde gezeigt, dass es Entzündungen reduziert und die Migration neuronaler Vorläuferzellen (NPC) in die Schlaganfallläsion fördert.

Diese Beobachtung veranlasste Katrina Wilson, Doktorandin in Seguras Labor, MAP-Gerüste zu konstruieren, um die Differenzierung dieser Vorläuferzellen weiter zu steuern. Nicht ganz so unreif und geschickt wie Stammzellen, sind neurale Vorläuferzellen dennoch in der Lage, die meisten, wenn nicht alle Zelltypen im Gehirn zu werden. Ihnen sagen zu können, wohin sie gehen und was sie werden sollen, wäre ein Segen für die Entwicklung von Behandlungen zur Heilung des Gehirns.

Im menschlichen Körper reagieren Stammzellen und Vorläuferzellen auf biologische Signale verschiedener Strukturen und Proteine, die sich in ihrer Umgebung befinden. Eine Informationsquelle sind die Laminin-Proteine, die das biologische Gerüst des Körpers, die sogenannte extrazelluläre Matrix, bilden.

In der neuen Arbeit bettete Wilson verschiedene Kombinationen von Teilen dieser Proteine, sogenannte Peptide, in ihr synthetisches MAP-Gerüst ein und beobachtete dann, was geschah – im wahrsten Sinne des Wortes. Sie erstellte über mehrere Tage hinweg Zeitraffervideos, die zeigen, wie Vorläuferzellen auf das mit Peptiden bemalte MAP-Gerüst reagieren.

„Wir haben gesehen, wie sich die Zellen im Laufe der Zeit am Gerüst festsetzten und es tatsächlich physisch bewegten“, sagte Segura. „Früher dachten wir, es sei nur ein Klettergerüst, auf dem Kinder spielen. Aber das haben wir nicht gesehen, Zellen üben physikalische Kräfte auf das Gerüst aus, die ausreichen, um es in Bewegung zu versetzen.“

Diese Beobachtung war jedoch nicht für alle Peptidcocktails einheitlich. Mit einem anderen Peptid modifizierte MAP-Gerüste verwandelten sich schließlich in winzige Kugeln, sogenannte Neurosphären, die das Gerüst nicht bewegten, sondern in verschiedene Tiefen hinein- und herausschossen und dabei ihre Fähigkeit beibehielten, unterschiedliche Reifungspfade zu wählen. Beide Ergebnisse könnten laut Wilson für eine Vielzahl medizinischer Anwendungen nützlich sein.

„Es besteht ein großes Potenzial für die Verwendung von Neurosphären als Modelle für die Untersuchung entwicklungsbedingter Neurotoxizität oder für das Medikamentenscreening, und die Ausbreitung und Differenzierung der Zellen ist in hohem Maße auf unsere laufenden Arbeiten zur Förderung der Geweberegeneration nach einem Schlaganfall anwendbar“, sagte Wilson. „Während die meisten Plattformen für diese Art von Arbeit in zwei Dimensionen feststecken und sich nicht gut für die Simulation dessen eignen, was in einem dreidimensionalen Körper passiert, ist unsere Plattform dreidimensional und könnte ein großartiges Modell zum Testen und Verstehen der Funktionsweise von NPCs sein.“

Da es viele mögliche Wege gibt, die es zu verfolgen gilt, sagt Wilson, dass ihr nächster Schritt darin besteht, das Gelernte zu nutzen und den gesamten Satz an Peptidsignalen auf die Maus-Schlaganfallmodelle des Labors anzuwenden, um zu sehen, ob es die Zellrekrutierung und die Reaktion auf das Nachwachsen von Blutgefäßen und Nerven verbessert.

Referenz: Wilson KL, Pérez SCL, Naffaa MM, Kelly SH, Segura T. Die stöchiometrische Nachmodifikation von Hydrogel-Mikropartikeln bestimmt das Schicksal neuronaler Stammzellen in mikroporösen getemperten Partikelgerüsten. Fortgeschrittene Werkstoffe. n/a(n/a):2201921. doi:10.1002/adma.202201921

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