3D-nyomtatott agy derít fényt a neurológiai rendellenességekre
Egy kutatócsoport sikeresen kifejlesztett egy háromdimenziós (3D) agymodellt, amely pontosan utánozza az emberi agy szerkezetét és működését. A tanulmány megjelent az International Journal of Extreme Manufacturing című folyóiratban. A csapatot Dong-Woo Cho professzor (POSTECH Gépészmérnöki Tanszék) és Jinah Jang professzor (Gépészmérnöki, IT-konvergencia mérnöki, Élettudományi és Interdiszciplináris Posztgraduális Program Tanszékek) vezette, Mihyeon Bae és Joeng Ju Kim doktorok közreműködésével.
Az Alzheimer-kórhoz és a Parkinson-kórhoz hasonló neurodegeneratív betegségekről köztudott, hogy kialakulásuk után visszafordíthatatlanok, ezért rendkívül fontos a korai diagnózis és a prediktív modellezés. Az agy azonban az emberi test legbonyolultabb szerve, amelyben bonyolultan összekapcsolódó sejtek és jelátviteli mechanizmusok működnek, amelyek még nagyrészt feltáratlanok.
A legújabb kutatások szerint még a mindennapi alkoholfogyasztás is összefüggésbe hozható az idegsejtek károsodásával, ami még inkább hangsúlyozza az olyan in vitro agymodellek sürgős szükségességét, amelyek laboratóriumi körülmények között pontosan reprodukálják az emberi agy reakcióit. A meglévő kétdimenziós sejtkultúrák és őssejtből származó organoidok jelentős korlátokat mutatnak az agy komplex felépítésének és működésének reprodukálásában.
Ezen korlátok leküzdése érdekében a POSTECH kutatócsoportja kifejlesztette a Bioengineered Neural Network (BENN) nevű, újszerű, rétegenként felépített 3D-s mesterséges agymodellt, amely hasonlóan működik, mint egy 3D-s nyomtatóval épített ház. A modell központi újítása a két különálló régióra történő biomimetikus felosztás: a szürkeállomány, amely az idegsejtek testét tartalmazza, és a fehérállomány, amely egymással párhuzamosan elrendezett axonokból áll, amelyek az információátvitel gyorsítását szolgáló információs autópályaként működnek.
A kutatók elektromos stimulációval irányították a neuronok axonjainak növekedését egy meghatározott irányba, elősegítve az egymással összekapcsolt idegpályák kialakulását. Ez egy olyan funkcionális ideghálózat kialakulásához vezetett, amely nagyon hasonlít az agy természetes jelátviteli architektúrájához. A kalciumion-áramlás valós idejű monitorozása megerősítette, hogy a BENN modell elektrofiziológiai reakciói hasonlóak a valódi agyszövetben megfigyeltekhez.
Ezenkívül a csapat a BENN platformot felhasználva vizsgálta az alkohol expozíciójának az agy működésére gyakorolt hatását. A modellt három héten át naponta 0,03% koncentrációjú etanollal kezelték, ami mérsékelt társas alkoholfogyasztásnak felel meg. A szürkeállomány régióban az Alzheimer-kórral összefüggő fehérjék, köztük az amiloid-béta és a tau fehérje emelkedett szintjét figyelték meg.
A fehérállományban jelentős morfológiai változásokat azonosítottak az idegrostokban, többek között duzzanatot és torzulást. Az idegjelek terjedése is jelentősen gyengült. Ez a tanulmány az első, amely bio-módosított agymodell segítségével valós időben közvetlenül vizualizálta és számszerűsítette az alkoholra adott régió-specifikus neurotoxikus reakciókat.
Cho professzor kijelentette: „Ez a modell lehetővé teszi az idegkapcsolatok és az elektrofiziológiai reakciók nagy felbontású elemzését, amit eddig nehéz volt megfigyelni. Jelentős potenciállal rendelkezik a betegségek korai felismerésében és a terápiás eredmények pontos előrejelzésében a preklinikai stádiumban.”Jang professzor hozzátette: „Ez a kutatás fontos előrelépést jelent az agyi betegségek korai patológiai eseményeinek laboratóriumi körülmények között történő vizsgálatában.”