Forscher verwendeten menschliche neuronale Stammzellen, um funktionelles Gehirngewebe dreidimensional zu drucken, das die Struktur der Großhirnrinde, der äußersten Schicht des Gehirns, nachahmt. Diese bahnbrechende Technologie verspricht eine personalisierte Reparatur von Hirnverletzungen.Unser Gehirn verfügt über empfindliche und komplexe Strukturen, die durch Trauma, Schlaganfall, Epilepsie und Tumorentfernungsoperationen geschädigt werden können, was zu Kommunikations-, Bewegungs- und Wahrnehmungsschwierigkeiten führt. Implantierte Stammzellen haben das Potenzial, geschädigtes Hirngewebe nachwachsen zu lassen, doch bisher war die Verwendung von Stammzellen zum Wiederaufbau der Gehirnstruktur schwierig.


Forscher verwendeten Stammzellen, um geschichtetes Gehirngewebe (rot und blau) in 3D zu drucken und es mit Gehirngewebe von Mäusen (blau) zu integrieren. Kim Yong-sung/Universität Oxford

In einer neuen Studie verwendeten Forscher der Universität Oxford den 3D-Druck menschlicher neuronaler Stammzellen, um ein doppelschichtiges Gehirngewebe zu erzeugen, das strukturell und funktionell mit dem Gehirngewebe von Mäusen integriert wurde.

Linna Zhou, eine der korrespondierenden Autorinnen der Studie, sagte: „Unsere Tröpfchendrucktechnologie bietet eine Möglichkeit, lebendes dreidimensionales Gewebe mit der gewünschten Struktur zu entwerfen, was uns der Entwicklung personalisierter Implantattherapien für Hirnverletzungen näher bringt.“

Vom Menschen induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSCs) haben großes Potenzial in der Geweberegenerationstherapie. Dabei handelt es sich um künstliche Stammzellen, die aus somatischen Zellen gewonnen werden, die genetisch in einen ähnlichen Zustand wie embryonale Stammzellen umprogrammiert wurden und ihnen die einzigartige Fähigkeit verleihen, sich in jeden Zelltyp im Körper zu differenzieren.

In der aktuellen Studie differenzierten die Forscher zunächst hiPSCs in zwei Arten neuronaler Vorläuferzellen, die zur Bildung der oberen und tieferen Schichten der Großhirnrinde verwendet werden. Diese schichtspezifischen Vorläuferzellen wurden zur Herstellung von zwei Biotinten verwendet und mithilfe der dreidimensionalen Tröpfchendrucktechnologie in schichtförmige Gewebe gedruckt. Man ließ die gedruckten Vorläuferzellen reifen und überwachte ihr Wachstum und ihre Aktivität über eine Woche, bevor das geschichtete Gewebe in lebendes Gehirngewebe der Maus implantiert wurde.

Schematische Darstellung des Prozesses von der Stammzelldifferenzierung bis zur Implantation von dreidimensional gedrucktem Hirngewebe Jin Yongcheng/Oxford University

Das implantierte Gewebe zeigte eine enge Integration mit den Gehirnzellen der Maus, einschließlich der Bildung neuronaler Prozesse – der fingerähnlichen Prozesse, die Nervensignale leiten und übertragen – und der Migration von Neuronen über die Grenze zwischen Implantat und Wirt. Die implantierten Zellen zeigten auch eine mit den Wirtszellen verbundene Signalaktivität, was darauf hindeutet, dass die Zellen miteinander kommunizierten und eine funktionelle und strukturelle Integration zeigten.

Zoltán Molnár, ein weiterer korrespondierender Autor der Studie, sagte: „Die Entwicklung des menschlichen Gehirns ist ein subtiler und heikler Prozess mit komplexer Orchestrierung. Es wäre naiv zu glauben, dass wir den gesamten zellulären Entwicklungsprozess im Labor reproduzieren können. Unser 3D-Druckprojekt zeigt jedoch, dass wir erhebliche Fortschritte bei der Kontrolle des Schicksals und der Anordnung menschlicher iPSCs gemacht haben, um die grundlegenden Funktionseinheiten der Großhirnrinde zu bilden.“

Da die menschliche Großhirnrinde aus bis zu sechs Schichten Nervenzellen besteht, planen die Forscher, die dreidimensionale Tröpfchendrucktechnologie zu verbessern, um komplexere mehrschichtige Gewebe zu erzeugen und Gehirnstrukturen realistischer zu simulieren. Abgesehen davon, dass das bedruckte Gewebe möglicherweise zur Reparatur von Hirnschäden verwendet werden könnte, sagen sie, dass es auch für Drogentests, die Erforschung der Gehirnentwicklung und die Verbesserung unseres Verständnisses der Kognition verwendet werden könnte.

Jin Yongcheng, der Erstautor der Studie, sagte: „Dieser Fortschritt stellt einen wichtigen Schritt in unseren Bemühungen dar, Materialien mit der vollständigen Struktur und Funktion von natürlichem Gehirngewebe zu schaffen. Diese Arbeit wird eine einzigartige Gelegenheit bieten, die Funktionsprinzipien der menschlichen Großhirnrinde zu erforschen, und auf lange Sicht wird sie hirngeschädigten Patienten Hoffnung geben.“

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.