Wie Neuronen in Käfige setzen

In einer Kooperation mit der Stanford University haben nun Nervenzellen wurden in kugelförmige Käfigstrukturen mit akustischer Bioprinting-Technologie eingeführt, so dass mehrzellige Nervengewebe dort entwickeln können. Es ist sogar möglich, Nervenverbindungen zwischen den verschiedenen Käfigen zu erstellen. Um die Nervenzellen zu steuern, Schallwellen wurden als akustische Pinzette verwendet.

Fußball-förmige Cages

„Wenn Sie Zellen mit einem bestimmten Rahmen Gegenwart leben, dringend ihr Verhalten beeinflussen können“, erklärt Prof. Aleksandr Ovsianikov, Leiter des 3D-Printing und Biofabrication Forschungsgruppe am Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der TU Wien. „3D-Druck ermöglicht die hochpräzise Produktion von Gerüstkonstruktionen, die dann mit Zellen besiedelt werden können, zu untersuchen, wie lebendes Gewebe wächst und wie es reagiert.“

Um eine große Anzahl von Nervenzellen in einem kleinen Raum zu wachsen, entschied sich das Forscherteam aus so genannten „Buckyballs“, geometrische Formen von Fünf- und Sechsecken zu verwenden, die eine mikroskopisch kleine Fußball ähneln.

„Die Öffnungen des Buckyballs groß genug sind, um Zellen zu wandern in den Käfig zu erlauben, aber wenn die Zellen verschmelzen, können sie nicht mehr den Käfig verlassen“, erklärt Dr. Wolfgang Steiger, der auf hochpräzise 3D gearbeitet Druck für biofabrication Anwendungen im Rahmen seiner Dissertation.

Die winzigen buckyball Käfige wurden hergestellt nach einem Verfahren, bekannt als Zwei-Photonen-Polymerisation: ein fokussierter Laserstrahl verwendet, um einen chemischen Prozess an bestimmten Punkten in einer Flüssigkeit zu beginnen, die das Material bewirkt, dass genau an diesen Stellen zu härten. Durch die Steuerung kann den Brennpunkt des Laserstrahls, der durch die Flüssigkeit in einer gut kontrollierten Art und Weise, von dreidimensionalen Objekten mit extrem hoher Präzision hergestellt werden.

Acoustic Waves als Pinzette

Nicht nur die Schaffung der Buckyballs, sondern auch Zellen in diese Kugeln durch mikroskaligen Öffnungen Montage ist sehr anspruchsvoll. Eine innovative 3-D akustische Bioprinting Technik an der Stanford School of Medicine entwickelt, adressiert diese Herausforderung erfolgreich. Prof. Utkan Demirci das Kanarischen Zentrum an der Stanford für Krebsfrüherkennung Co-leitet und seine Forschungsgruppe, dh die Biosensorik und Akustik-MEMS in der Medizin (BAMM Lab) verwendet akustische Wellen in biomedizinischen Anwendungen von Krebs Erfassen Biomarker Bioprinting 3-D Gewebe Modelle zur Erfassung.

„Wir erzeugen akustische Schwingungen in der Lösung, in der die Zellen angeordnet sind. Die Zellen, die die Schallwellen folgen, wie Ratten, die Rattenfänger, wie in der Legende in dem Verfahren folgen, Knoten Schwingungsform an bestimmten Punkten, ähnlich eine schwingende Saite “, sagt Prof. Demirci. An diesen Knotenpunkten ist die Flüssigkeit vergleichsweise statisch. Wenn Zellen an diesen Stellen befinden, bleiben sie dort; überall sonst werden sie durch die akustische Welle weg bewegt. Die Zellen daher auf die Flecken bewegen, wo sie sich um nicht aufgewirbelt werden, und das ist, wo die buckyballs gelegt wurden. Die Schallwelle kann somit in einem sehr gut kontrollierten Art und Weise verwendet werden, fast wie Pinzette, um die Zellen an die gewünschte Stelle zu richten.

„Die akustischen Wellen es uns ermöglicht, die Gerüststrukturen viel dichter und effizient zu füllen, als es möglich gewesen, mit konventionellen Methoden der Zellbesiedlung würde“, berichtet Tanchen Ren, PhD, von Prof. Demirci Forschungsgruppe.

Sobald die Buckyballs mit Nervenzellen auf diese Weise erfolgreich kolonisiert worden war, bildeten sie Verbindungen mit Neuronen benachbarter Buckyballs. „Wir sehen ein enormes Potenzial hier für die Verwendung von 3D-Druck zu erzeugen und neuronale Netze in gezielt zu untersuchen“, sagt Aleksandr Ovsianikov. „Auf diese Weise können wichtige biologische Fragestellungen untersucht werden, die man sonst keinen direkten experimentellen Zugang hat.“

Quelle: Vienna University of Technology. "How to put neurons into cages." ScienceDaily. ScienceDaily, 4 May 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/05/200504114110.htm>.