Neuronen sind die grundlegenden Einheiten des Gehirns und des Nervensystems, die Zellen, die dafür verantwortlich sind, sensorische Eingaben von der Außenwelt zu empfangen, motorische Befehle an unsere Muskeln zu senden und die elektrischen Signale bei jedem Schritt dazwischen umzuwandeln und weiterzuleiten. Neuronen, auch Nervenzellen genannt, bestehen aus drei Hauptteilen: dem Zellkörper, den Dendriten und dem Axon – einem langen, dünnen Fortsatz, der für die Kommunikation mit anderen Zellen verantwortlich ist.
Wenn Neuronen durch eine degenerative Erkrankung oder Verletzung geschädigt werden, haben sie, wenn überhaupt, nur eine geringe Fähigkeit, sich selbst zu heilen. Die Wiederherstellung neuronaler Netze und ihrer normalen Funktion ist daher eine große Herausforderung auf dem Gebiet des Tissue Engineering.
Prof. Orit Shefi und der Doktorand Reut Plen von der Kofkin Faculty of Engineering an der Bar-Ilan University haben eine neuartige Technik entwickelt, um diese Herausforderung mithilfe von Nanotechnologie und magnetischen Manipulationen zu bewältigen, einem der innovativsten Ansätze zur Erstellung neuronaler Netze. Ihre Forschung wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Fortschrittliche Funktionsmaterialien.
Um neuronale Netzwerke zu erzeugen, injizierten die Forscher magnetische Eisenoxid-Nanopartikel in neurale Vorläuferzellen und verwandelten die Zellen so in unabhängige magnetische Einheiten.
Als nächstes setzten sie die Vorläuferzellen, von denen bekannt ist, dass sie sich zu Neuronen entwickeln, einer Reihe von voreingestellten Magnetfeldern aus und steuerten ihre Bewegung ferngesteuert innerhalb eines dreidimensionalen und mehrschichtigen Kollagensubstrats, das die natürlichen Eigenschaften von Körpergewebe nachahmt. Durch diese magnetischen Manipulationen schufen sie dreidimensionale „Mini-Gehirne“ – funktionale und mehrschichtige neuronale Netzwerke, die Elemente nachahmen, die im Gehirn von Säugetieren zu finden sind.
Nachdem sich die Kollagenlösung zu einem Gel verfestigt hatte, blieben die Zellen gemäß den entfernt angelegten Magnetfeldern an Ort und Stelle. Innerhalb weniger Tage entwickelten sich die Zellen zu reifen Neuronen, bildeten Fortsätze und Verbindungen, zeigten elektrische Aktivität und gediehen mindestens 21 Tage lang im Kollagengel.
„Diese Methode ebnet den Weg für die Erstellung einer 3D-Zellarchitektur in einem maßgeschneiderten Maßstab für den Einsatz in biotechnologischen, therapeutischen und Forschungsanwendungen, sowohl innerhalb als auch außerhalb des Körpers“, sagt Ph.D. Student Reut Plen.
„Da die von uns erstellten 3D-Neuronalnetzwerke angeborene Eigenschaften des menschlichen Gehirngewebes simulieren, können sie als experimentelle ‚Mini-Gehirne‘ verwendet werden und als Modell für das Studium von Arzneimitteln dienen, um die Kommunikation zwischen Geweben zu untersuchen und als Weg dazu bauen künstliche Netzwerke für Schnittstellen zwischen technischen und biologischen Komponenten.“
„Außerdem bietet das Modell eine interessante Perspektive, um ein solches Gel, das Zellen enthält, in flüssigem Zustand zu injizieren, in das Nervensystem einzuführen und die Zellen mit Hilfe magnetischer Kräfte in die richtige Struktur zu bringen. Der Vorteil der Verwendung Diese Methode besteht darin, dass Magnetfelder tief im Körper befindliche Zellen auf nicht-invasive Weise beeinflussen können“, fügt Plen hinzu.
Das Einbringen magnetischer Partikel in Zellen und insbesondere in Nervenzellen wirft Fragen hinsichtlich der Sicherheit zukünftiger medizinischer Anwendungen auf. „Das Thema Sicherheit ist wichtig, und wir haben viel darüber nachgedacht und geforscht“, betont Prof. Orit Shefi.
„Im ersten Schritt haben wir die Wirkung verschiedener Partikel auf die Zellgesundheit in Kultur getestet. Zusätzlich haben wir die Magnetpartikel mit einem biokompatiblen Protein beschichtet. Die Beschichtung bildet einen Puffer zwischen Magnetelement und Zelle und fördert das Eindringen der Nanopartikel.“ . Wichtig ist, dass Eisen, der Baustein des Nanopartikels, natürlich im Körper vorkommt, also keine Fremdsubstanz ist. Außerdem wurde das gleiche Gel mit magnetischen Partikeln in unserem Labor getestet und für die Verwendung in Tiermodellen als sicher befunden.“
Die US Food and Drug Administration hat bereits die Verwendung magnetischer Nanopartikel für diagnostische und bildgebende Zwecke sowie bei schweren Verletzungen zugelassen. Die von der Bar-Ilan-Forschungsgruppe unternommenen Schritte schaffen eine Gelegenheit, die Technologie für den zukünftigen klinischen Einsatz voranzutreiben. „Das ist erst der Anfang“, sagen Shefi und Plen. „Unsere neuartige Methode zur Herstellung von ‚Mini-Gehirnen‘ öffnet die Tür zur Suche nach Lösungen für verschiedene neurologische Beeinträchtigungen, die hoffentlich die Lebensqualität zahlreicher Patienten verbessern werden.“
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Reut Plen et al, Bioengineering 3D Neural Networks Using Magnetic Manipulations, Fortschrittliche Funktionsmaterialien (2022). DOI: 10.1002/adfm.202204925