Wetenschappers kweken eerste volledig synthetische hersenweefsel

UC Riverside-team bouwt een hersenachtig weefsel zonder dierlijke ingrediënten

In een ontwikkeling die de manier waarop laboratoria de hersenen bestuderen zou kunnen hervormen, melden onderzoekers van de University of California, Riverside dat ze functionerend, hersenachtig weefsel hebben gekweekt op een scaffold die volledig is gemaakt van synthetische materialen. Het werk vervangt veelgebruikte, van dieren afgeleide coatings en extracten van extracellulaire matrix door een chemisch neutraal polymeer waarvan de fysieke architectuur alleen menselijke donorcellen aanstuurt om neurale netwerken te vormen. Deze aanpak is gericht op het beter beheersbaar maken van neurologische testen, een langere levensduur van de culturen en een verminderde afhankelijkheid van diermodellen.

Hoe de scaffold wordt gemaakt

Het team bouwde hun scaffold van polyethyleenglycol (PEG), een veelgebruikt, biocompatibel polymeer dat normaal gesproken inert is voor celhechting. In plaats van biologische liganden toe te voegen zoals laminine of fibrine — standaard supplementen die vaak afkomstig zijn uit dierlijke weefsels — vormden de onderzoekers PEG om tot een sterk getextureerd, onderling verbonden poreus doolhof. Cellen die in de poriën worden gezaaid, hebben toegang tot zuurstof en voedingsstoffen en, cruciaal, organiseren zich in hersenachtige clusters die elektrisch communiceren zodra ze volgroeid zijn.

Om die poreuze microarchitectuur te maken, gebruikte de groep een op stroming gebaseerde productiestap: oplossingen van water, ethanol en PEG werden door geneste glazen capillairen gepompt, zodat het mengsel fase-gescheiden raakte bij contact met een buitenste waterstroom. Een lichtflits zette de gescheiden structuur vervolgens vast, wat een stabiele, zeer poreuze scaffold opleverde waarin neurale donorcellen kunnen worden gezaaid. Het is deze gecontroleerde fysieke structuur waarop de cellen reageren, aldus de onderzoekers, in plaats van biologische coatings.

Waarom de synthetische route van belang is

De meeste huidige driedimensionale neurale cultuurplatforms vertrouwen op biologische extracten — bijvoorbeeld preparaten van het basale membraan — die chemisch complex zijn, variëren per batch en vaak afkomstig zijn van dierlijke bronnen. Die variabelen maken experimenten moeilijker te reproduceren en bemoeilijken pogingen om bevindingen te vertalen naar de menselijke geneeskunde. Daarentegen is PEG chemisch goed gedefinieerd en niet-immunogeen, waardoor scaffolds die ervan zijn gebouwd met een consistente samenstelling en mechanische eigenschappen kunnen worden vervaardigd, en geen dierlijke supplementen vereisen om celgroei te ondersteunen wanneer de microarchitectuur op de juiste manier is geoptimaliseerd. Deze materiaaleigenschappen hebben van PEG-hydrogelen al jarenlang een fundamenteel instrument gemaakt in de neurale weefseltechnologie; het nieuwe werk demonstreert een route om PEG niet alleen toestaan maar ook instructief te maken voor neurale organisatie door de interne geometrie aan te passen.

Hoe dit past bij andere hersenmodellen

In de afgelopen jaren hebben laboratoria organoïde- en assembloïde-technologieën — zelfgeorganiseerde clusters van menselijke uit stamcellen afgeleide neuronen die aspecten van hersengebieden en banen kunnen modelleren — tot een opmerkelijke natuurgetrouwheid gebracht, inclusief het nabootsen van circuits die zintuiglijke signalen doorgeven. Die systemen vertrouwen op de biochemische signalen en cel-zelforganisatie die worden geboden door biologische matrices en complexe protocollen. De scaffold van UC Riverside is complementair: in plaats van te vertrouwen op biologische complexiteit, biedt het een fysiek gedefinieerd platform dat de reproduceerbaarheid en levensduur kan verbeteren voor experimenten die stabiele, donorspecifieke netwerken vereisen. Samen bieden deze benaderingen onderzoekers verschillende afwegingen tussen biologisch realisme, experimentele controle en ethische bezwaren over diergebruik.

Potentiële toepassingen en voordelen

De onderzoekers wijzen op verschillende toepassingen op de korte termijn: het modelleren van de mechanica van traumatisch hersenletsel en beroertes, het bestuderen van ziekteprocessen zoals de ziekte van Alzheimer in donorspecifieke cellen, en het screenen van neuroactieve medicijnen zonder dierlijk weefsel. Omdat de synthetische scaffold stationair is en minder gevoelig voor biochemische afbraak, kan deze langere experimenten ondersteunen waardoor neurale cellen kunnen rijpen — een cruciale vereiste, aangezien veel kenmerken van neurologische ziekten pas naar voren komen in volwassen neuronen. Het team ziet dit ook als een eerste stap naar het samenstellen van netwerken van verschillende orgaanmodellen, zodat wetenschappers de interacties tussen de hersenen en andere weefsels op een gecontroleerde manier kunnen bestuderen.

Beperkingen en de weg naar opschaling

De huidige scaffolds zijn klein — ongeveer twee millimeter breed — en de onderzoekers erkennen verschillende technische uitdagingen voordat de aanpak grotere of complexere modellen kan vervangen. De belangrijkste daarvan is perfusie: grotere weefselconstructen hebben geïntegreerde vasculatuur of efficiënte synthetische kanalen nodig om zuurstof aan te voeren en afvalstoffen te verwijderen. Het ontwerpen en vervaardigen van vasculaire netwerken die weefsels op orgaanschaal kunnen ondersteunen, en het verbinden van die netwerken met de synthetische hersenmatrix, blijven actieve onderzoeksgebieden. Er zijn ook vragen over hoe immuuninteracties, de fysiologie van de bloed-hersenbarrière en andere systemische invloeden kunnen worden gemodelleerd in een volledig synthetische scaffold.

Ethiek, regelgeving en de belofte van minder dieren

Naast de reproduceerbaarheid van experimenten, speelt de synthetische scaffold in op ethische en reglementaire druk om dierproeven te verminderen. Toezichthouders en financiers in verschillende rechtsgebieden moedigen de ontwikkeling aan van niet-dierlijke testsystemen voor de veiligheid en werkzaamheid van geneesmiddelen, en gedefinieerde synthetische platforms zouden die overgang kunnen versnellen door herhaalbare, voor de mens relevante testomgevingen te bieden. Toch zullen toezichthouders een zorgvuldige validatie verwachten die aantoont dat reacties in het synthetische model uitkomsten bij mensen voorspellen, en dat zal tijd en replicatie in verschillende laboratoria vergen.

Waar we op moeten letten

• Opschaling — demonstraties van grotere constructen en geïntegreerde synthetische vasculatuur- of perfusiesystemen.
• Functionele validatie — elektrofysiologie- en drugsresponsstudies die voorspelbaar, donorspecifiek gedrag laten zien dat relevant is voor ziekte.
• Vergelijkingen tussen platforms — rechtstreekse tests waarbij synthetische scaffolds, organoïden en diermodellen worden vergeleken voor hetzelfde medicijn of trauma.
• Betrokkenheid van toezichthouders — vroege gesprekken met instanties om te bepalen hoe synthetische weefsels kunnen worden gebruikt in preklinische trajecten.

Het team van UC Riverside begon het project in 2020 en ontvangt financiële steun van interne startup-fondsen en staatssubsidies voor regeneratieve geneeskunde. Het scaffold-concept heeft er al toe geleid dat de groep gerelateerd werk over synthetisch leverweefsel heeft ingediend, en ze blijven strategieën nastreven om culturen op orgaanniveau te verbinden tot interagerende systemen. Als die volgende stappen slagen, zou de aanpak onderzoekers een nieuwe klasse van mensgerichte, schaalbare weefselmodellen kunnen bieden voor neurowetenschappen en medicijnontwikkeling.

James Lawson is een onderzoeksjournalist op het gebied van wetenschap en technologie voor Dark Matter. Hij heeft een MSc in wetenschapscommunicatie en een BSc in natuurkunde van University College London, en verslaat ontwikkelingen op het gebied van AI, ruimtevaart en quantumtechnologieën.