Op de nanopilaartjes vormden zich ruimtelijke netwerken van hersencellen (afb: Angelo Accardo et al./Advanced Functional Materials)

Hersencellen zijn wezenlijk voor het functioneren van meercellige organismen. Hoe hersens functioneren is allesbehalve bekend, maar duidelijk is dat ze, onder meer, via stroomstootjes met elkaar communiceren. Onderzoekers van de TU Delft hebben met nanopilaartjes een, kennelijk, ideale groeiomgeving voor hersencellen gevormd die erg veel zou lijkt op wat er in het echt gebeurd.
Met behulp van kleine nanopilaren bootsten ze het zachte zenuwweefsel en de extracellulaire matrixvezels van de hersenen na. Dit model biedt nieuwe inzichten in hoe neuronen netwerken vormen en zou een nieuw hulpmiddel kunnen zijn om de raadselen van het brein te ontraadselen maar ook om er achter te komen hoe hersenaandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson en autisme kunnen ontstaan.
Neuronen reageren, net als veel cellen in het lichaam, op de stijfheid en geometrie van hun omgeving. Petrischalen waarin vaak cellen worden gekweekt zijn plat en stijf anders dan de vezelige extracellulaire omgeving van de hersencellen. Om de geometrische en mechanische eigenschappen van deze omgeving na te bootsen, ontwierpen de onderzoekers rond Angelo Accardo pilaarrasters met behulp van tweefotonpolymerisatie, een laserprinttechniek met nanoschaalprecisie.

Deze pilaartjes, duizend keer dunner zijn dan een mensenhaar, zijn gerangschikt als kleine bossen op een oppervlak. Door de breedte en hoogte onderling te veranderen, creëerden de onderzoekers de optimale mechanische eigenschappen die door cellen wordt waargenomen wanneer ze over micro- of nanostructuren kruipen.
Accardo: “Hierdoor ‘denken’ (aanhalingstekens van as) de neuronen dat ze zich in een zachte, hersenachtige omgeving bevinden, ook al is het materiaal van de nanopilaren zelf stijf. Terwijl ze buigen onder het kruipen van hersencellen, simuleren de nanopilaren niet alleen de zachtheid van hersenweefsel, maar bieden ze ook een ruimtelijke structuur waaraan neuronen zich kunnen vastgrijpen, net als de extracellulaire matrix-nanovezels in echt hersenweefsel,” zegt Accardo. Dit beïnvloedt hoe de neuronen groeien en met elkaar in verbinding staan.

Om het model te testen, kweekten de onderzoekers drie verschillende soorten hersencellen, afkomstig van muizenhersens of van menselijke stamcellen, op de nanopilaren. In traditionele platte petrischalen en platte biomaterialen groeiden neuronen in willekeurige richtingen, maar op de ruimtelijke nanostructuren groeiden alle drie de celtypen in vrij georganiseerde patronen, waarbij netwerken werden gevormd.
Accardo merkt op: “Deze handachtige structuren begeleiden de uiteinden van groeiende neuronen terwijl ze op zoek gaan naar nieuwe verbindingen. Op vlakke oppervlakken spreiden de groeikegels zich uit en blijven ze relatief plat. Maar op de nanostructuur stuurden de groeikegels lange, vingerachtige projecties uit, die hun omgeving in alle richtingen verkenden – niet alleen langs een plat vlak, maar ook in de 3D-ruimte, wat lijkt op wat er gebeurt in een echte hersenomgeving.”

Rijpen

“Bovendien ontdekten we dat de omgeving die door de pilaartjes werd gecreëerd, neuronen ook leek aan te moedigen om te rijpen,” benadrukt hoofdauteur George Flamourakis. Voorlopercellen die op de pilaartjes werden gekweekt, vertoonden hogere niveaus van een kenmerk van volwassen neuronen, vergeleken met die welke op vlakke oppervlakken werden gekweekt. “Dit toont aan dat het systeem niet alleen de richting van de groei beïnvloedt, maar ook neuronale rijping bevordert,” zegt Flamourakis.

Maar als zachtheid zo belangrijk is, waarom laten we neuronen dan niet gewoon groeien op zachte materialen zoals gels? “Het probleem is dat gelmatrices, zoals collageen of Matrigel, doorgaans last hebben van variabiliteit en geen rationeel ontworpen geometrische kenmerken hebben. Het nanopilaarmodel biedt het beste van twee werelden: het gedraagt ​​zich als een zachte omgeving met nanometrische kenmerken en heeft een extreem hoge reproduceerbaarheid dankzij de resolutie van twee-fotonpolymerisatie”, legt Accardo uit.

Bron: phys.org