Neue, ultraleichte 3-D-Aerohydrogels ermöglichen, dass Gehirnzellen wachsen und sich miteinander vernetzen. Das birgt Potenzial für die Neuroforschung und das Gewebe-Engineering.
Bisher waren herkömmliche 3-D-Zellkulturen oft zu starr oder instabil, um die komplexen Interaktionen von Gehirnzellen realistisch abzubilden. Forschende an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel haben jetzt ein neuartiges 3-D-Material entwickelt, auf dem menschliche Gehirnzellen im Labor wachsen und Signale austauschen können. Damit lassen sich neuronale Prozesse und Zellkommunikation deutlich näher an der realen Physiologie untersuchen.
Ein interdisziplinäres Team um den Materialwissenschaftler Dr. Stefan Schröder von der Technischen Fakultät hat die «Aerohydrogels» hergestellt – ultraleichte, hohlfaserige Gerüste, die Astrozyten und Mikroglia ein realistisches dreidimensionales Umfeld bieten. Dies berichtet das Team in internationaler Zusammenarbeit mit Forschenden der Harvard Medical School (USA) und der University of Oxford (UK) in der Fachzeitschrift Chem & Bio Engineering.
«Unsere Aerohydrogele imitieren den extrazellulären Raum im Gehirn.»
Prof. Dr. Rainer Adelung, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Die Gerüste basieren auf tetrapodalen Zinkoxid-Kristallen (t‑ZnO), die zunächst ein vernetztes 3-D-Skelett bilden. Dieses beschichteten die Forschenden mit einem hauchdünnen Hydrogel über die initiierte chemische Gasphasenabscheidung (iCVD). Anschliessend entfernten sie das Zinkoxid. Übrig blieb ein leichter Hydrogel-Rahmen, der den Zellen Halt gibt und gleichzeitig Nähr- und Signalstoffe hindurch diffundieren lässt.
Im Vergleich zu herkömmlichen 3-D-Zellgerüsten, die sich oft nach wenigen Tagen auflösen oder weniger flexibel in der Porengrösse sind, bleiben die Aerohydrogels stabil und unabhängig flexibel in der Porengrösse, Mechanik und Oberflächenchemie. Bei anderen Zellgerüsten hängen diese Parameter voneinander ab und können nicht individuell auf einen Zelltyp angepasst werden. «Unsere Aerohydrogele imitieren den extrazellulären Raum im Gehirn», sagt Professor Rainer Adelung, weltweit führender Experte bei der Weiterentwicklung von tetrapodalem Zinkoxid und ebenfalls an der Studie beteiligt. «Wir passen mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit und Porengrösse gezielt an. So können wir die Gerüste zukünftig auch für verschiedene Gewebe nutzen – Herzgewebe ist beispielsweise viel fester als Gehirngewebe, und die Aerohydrogels berücksichtigen diese Unterschiede.»
Die Forschenden nutzen dieselbe iCVD-Beschichtungstechnologie auch im Startup (der Firmenname lautet Conformally), das Schröder und Erstautor Torge Hartig aus der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel heraus gegründet haben. Künftig könnten sie die 3-D-Gerüste über das Unternehmen kommerziell anbieten.
Hirnzellen vernetzen sich im Ultraleicht-Gerüst
Auf der medizinischen Seite arbeiteten die Forschenden mit menschlichen Gehirnzellen: Astrozyten, die das Nervengewebe gesund halten, und Mikroglia, die als Immunzellen potenzielle Gefahren erkennen und darauf reagieren.
Um zu testen, wie diese Zellen miteinander kommunizieren, setzte Erstautorin Dr. Luise Schlotterose von der Universität Oxford ein klassisches Reagenz namens Lipopolysaccharid (LPS) ein, einem bakteriellen Stoff, der Entzündungsreaktionen auslöst. Anschliessend untersuchte sie mit ihren Kolleginnen und Kollegen am Anatonimischen Institut, wie die Zellen auf molekularer Ebene reagieren, indem sie die Aktivität bestimmter Gene analysierte, die Entzündungsbotenstoffe steuern.
Die Ergebnisse zeigen: Mikroglia reagieren anders, wenn sie alleine auf dem Aerohydrogel wachsen, als in Co-Kulturen mit Astrozyten. Zusammen mit Astrozyten schwächten sie bestimmte Entzündungsreaktionen ab – ein Hinweis, dass die Zellen über das 3-D-Gerüst kommunizieren, auch ohne direkten Kontakt.
In den Aerohydrogelen liessen sich neuronale Prozesse, Zellkommunikation und Reaktionen auf äussere Reize deutlich authentischer untersuchen als in herkömmlichen 2-D- oder Standard-3-D-Kulturen. Langfristig könnten die Aerohydrogele dazu beitragen, beschädigtes oder verlorenes Gewebe im Labor nachzubilden. Sie bieten damit die Möglichkeit, Tierversuche zu reduzieren, da komplexe Zellinteraktionen direkt in vitro untersucht werden könnten.
