Zenuwcellen. Screenshot YouTube
Wanneer neuronen (zenuwcellen) worden beschadigd door degeneratieve ziekte of verwonding, hebben ze weinig of geen vermogen om op zichzelf te genezen. Het herstellen van neurale netwerken en hun normale functie is daarom een grote uitdaging op het gebied van tissue engineering.
Deze fundamentele eenheden van de hersenen en het zenuwstelsel – bestaande uit het cellichaam, de dendrieten en het axon (een lange, dunne verlenging die verantwoordelijk is voor de communicatie met andere cellen) – ontvangen sensorische input van de buitenwereld, sturen motorische commando’s naar onze spieren en voor het transformeren en doorgeven van de elektrische signalen bij elke tussenliggende stap.
Prof. Orit Shefi en promovendus Reut Plen van de Kofkin Faculteit Ingenieurswetenschappen aan de Bar-Ilan Universiteit (BIU) hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om deze uitdaging te overwinnen met behulp van nanotechnologie en magnetische manipulaties - een van de meest innovatieve benaderingen voor het creëren van neurale netwerken. Hun onderzoek is onlangs gepubliceerd in het collegiaal getoetste tijdschrift Advanced Functional Materials onder de titel "Bioengineering 3D Neural Networks Using Magnetic Manipulations."
Prof. Orit Shefi (L) en Reut Plen. Foto via Bar-Ilan universiteit
De Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) heeft het gebruik van magnetische nanodeeltjes al goedgekeurd voor diagnostische en beeldvormingsdoeleinden en in gevallen van ernstig letsel. De stappen van de BIU-onderzoeksgroep zullen de technologie voor toekomstig klinisch gebruik bevorderen.
"Dit is nog maar het begin," zeiden Shefi en Plen. " Onze nieuwe methode om 'mini-hersenen' te creëren, opent de deur naar het vinden van oplossingen voor verschillende neurologische stoornissen die hopelijk de kwaliteit van leven van talrijke patiënten zullen verbeteren."
Om neurale netwerken te creëren, injecteerden de onderzoekers magnetische ijzeroxide-nanodeeltjes in neurale voorlopercellen, waardoor ze in onafhankelijke magnetische eenheden veranderden. Vervolgens stelden ze de voorlopercellen die zich ontwikkelen tot neuronen bloot aan een aantal vooraf ingestelde magnetische velden en stuurden hun beweging op afstand binnen een driedimensionaal en meerlagig collageensubstraat dat de natuurlijke kenmerken van lichaamsweefsel nabootst. Door deze magnetische manipulaties creëerden ze driedimensionale "mini-hersenen" - functionele en meerlagige neurale netwerken die elementen nabootsen die in de hersenen van zoogdieren worden aangetroffen.
Nadat de collageenoplossing tot een gel was gestold, bleven de cellen op hun plaats volgens de op afstand aangelegde magnetische velden. Binnen een paar dagen ontwikkelden ze zich tot volwassen zenuwcellen, vormden extensies en verbindingen, vertoonden elektrische activiteit en gedijden gedurende minstens drie weken in de collageengel .
"Deze methode maakt de weg vrij voor het creëren van 3D-celarchitectuur op een aangepaste schaal voor gebruik in bio-engineering, therapeutische en onderzoekstoepassingen, zowel binnen als buiten het lichaam," zei Plen. “Aangezien de 3D neurale netwerken die we hebben gemaakt, aangeboren eigenschappen van menselijk hersenweefsel simuleren, kunnen ze worden gebruikt als experimentele 'mini-hersenen' en als model voor de studie van medicijnen, voor het onderzoeken van communicatie tussen weefsels en als een manier om kunstmatige netwerken voor interfaces tussen technische en biologische componenten.
"Bovendien suggereert het model een interessant vooruitzicht om zo'n gel met cellen in vloeibare toestand te injecteren, deze in het zenuwstelsel te introduceren en de cellen in de juiste structuur te organiseren met behulp van magnetische krachten", zei ze. van het gebruik van deze methode is dat magnetische velden cellen diep in het lichaam kunnen beïnvloeden op een niet-invasieve manier."
Het inbrengen van magnetische deeltjes in cellen, en in het bijzonder in zenuwcellen, roept vragen op over de veiligheid van toekomstige medische toepassingen.
"Het veiligheidsvraagstuk is belangrijk en we hebben er veel over nagedacht en onderzoek naar gedaan", besluit Shefi. “In de eerste stap hebben we het effect van verschillende deeltjes op cel gezondheid in kweek getest. Daarnaast hebben we de magnetische deeltjes gecoat met een biocompatibel eiwit. De coating creëert een buffer tussen het magnetische element en de cel en bevordert het binnendringen van de nanodeeltjes.
"Belangrijk is dat ijzer - de bouwsteen van het nanodeeltje - van nature in het lichaam voorkomt, dus het is geen vreemde substantie", zei ze. "Bovendien is dezelfde gel met magnetische deeltjes getest in ons laboratorium en veilig bevonden om gebruik in diermodellen.”
