Ingenieure machen klebrige 3D-Gehirnmodell aus Seide, Kollagen Gel

Das Gehirn ist eines der wichtigsten Gewebe im Körper, aber es ist sehr schwierig, in lebenden Menschen zu studieren. Während die in einem Labor hergestellten Gehirne an Horrorfilm-Bösewichte erinnern können, haben Forscher der Tufts University ein funktionelles Gehirn-ähnliches Gel-Modell entwickelt, das zum ersten Mal die Reaktionen von lebenden Gehirnen nachahmt. Ein funktionelles 3D-Hirngewebemodell bringt die Forscher einen Schritt näher, um zu verstehen, was in unserer grauen Substanz vor sich geht.

In einer Studie, die heute in Proceedings der National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht wurde, berichten Forscher von Tufts, dass ihr Gehirnmodell in ähnlicher Weise wie ein lebendes menschliches Gehirn auf elektrische und chemische Stimulation reagiert. Das 3D-Gehirn kann auch mehrere Monate halten, eine viel längere Haltbarkeit als frühere Modelle.

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Das Modell besteht aus extrazellulären Matrix (ECM) Gelen, Seide Gerüst und Gehirnzellen namens Neuronen. Während das Design grundlegend ist, bietet es einen soliden Bauplan für komplexere Gehirnfunktionen.

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" Basierend auf der Architektur und den Funktionen des Gehirns haben wir versucht, diese Merkmale in den Biomaterial-Designs, Zellen und Systemen nachzuahmen oder nachzuahmen. "Sagte der leitende Autor der Studie, David Kaplan, Professor und Vorsitzender der Abteilung für Biomedizintechnik bei Tufts, in einer E-Mail an Healthline .

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Um das Modell zu entwickeln, untersuchten die Forscher viele verschiedene Arten von Gelen und Schwämmen, in Kombination und allein. "Wir untersuchten Gele allein, Schwämme allein und Varianten von jedem von ihnen, sowie das Kombinationssystem, das wir am besten fanden", sagte Kaplan.

Für diese Forscher ist die Herstellung von menschlichem Gewebe kein neuer Prozess. "Dies wurde alles aus unseren langjährigen Studien zu Biomaterial-Designs nachgebildet, um die erforderliche Struktur, Morphologie, Chemie und Mechanik zu erfassen, um die Anforderungen an Zell- und Gewebekulturen in 3D zu erfüllen", so Kaplan.

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Das resultierende 3D-Gehirn-ähnliche Gewebe besteht aus einem auf Seidenprotein basierenden Gerüst, einem ECM-Komposit und kortikalen Neuronen - den Zellen, die die graue Gehirnsubstanz bilden. "Für das Gehirnsystem waren wir nicht sicher, wie gut sich die Konnektivität ausbilden würde und wie gut die Funktionen aussehen würden, aber diese erwiesen sich aufgrund der Biomaterialdesigns und der Gesamtsystemintegration als gut", sagte Kaplan.

Die Forscher haben zunächst die Reaktion des Hirngewebes auf elektrische Stimulation getestet. Dann beobachteten sie den Einfluss des Fallenlassens eines Gewichtes auf das Modell und simulierten eine traumatische Hirnverletzung (TBI). Wie ein echtes Gehirn hat das Modell Glutamat freigesetzt, eine Chemikalie, die sich nach einem TBI ansammelt.

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Gehirne der Zukunft

Zukünftige Tests des Gehirnmodells konnten die Effekte der Medikationen auf dem Gehirn, sowie andere Arten des Traumas prüfen. Das 3D-Modell könnte auch verwendet werden, um eine Dysfunktion des Gehirns zu untersuchen.

"Wir glauben, dass es in vielen Bereichen der Hirnforschung ein großes Potenzial hat, darunter Studien zu Medikamenten, Hirnfunktionsstörungen, Trauma und Reparatur, Auswirkungen von Ernährung oder Toxikologie auf Krankheitszustände und -funktionen usw.", sagte Kaplan.

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Wie bei jedem Modell könnte diese Gelee-Hirn-Substanz von weiterem Basteln profitieren.

"Wir sehen viele Richtungen, um damit fortzufahren, aufbauend auf dem, was wir als Ausgangspunkt getan haben", sagte Kaplan. Zu den Modifikationen könnten eine höhere Komplexität gehören, um die Gehirnfunktion besser nachzuahmen, und die Haltbarkeit des Modells auf sechs Monate verlängern, um langsam entwickelnde neurologische Erkrankungen wie Alzheimer zu untersuchen.

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