Von Kirigami inspirierter Durchbruch für die Neurowissenschaft
Die Entwicklung von Organoiden, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen gewonnen werden, hat die neurowissenschaftliche Forschung revolutioniert und ermöglicht einen Einblick in die komplizierte zelluläre Organisation des menschlichen Gehirns. Diese Miniaturnachbildungen menschlicher Organe – von Minigehirnen bis zu sensorischen Ganglien – simulieren die strukturelle Komplexität und die genetischen Veranlagungen menschlicher Organe. Viele neuropsychiatrische Störungen sind auf eine abnorme elektrische Aktivität der Neuronen zurückzuführen, aus denen das Gehirngewebe besteht. Messungen der elektrischen Aktivität, selbst in den frühen Stadien der Organoidentwicklung, können wichtige Erkenntnisse über solche Krankheiten liefern. Die Untersuchung ihrer elektrischen Aktivität, ohne ihre 3D-Struktur zu stören, stellt jedoch eine große Herausforderung dar.
Netzelektrodenarrays für die Messung der elektrischen Aktivität
Das Team des mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen (MSCA) durchgeführten Projekts STRELECOID hat sich von der Kunst des Kirigami inspirieren lassen, um eine bahnbrechende Innovation zu entwickeln, die eine kontinuierliche, nichtinvasive elektrische Aufzeichnung ermöglicht, während Organoide frei um sie herum wachsen. Die Ausgangsphase des Projekts fand an der Universität Stanford statt. „Die zentrale Innovation des Projekts war die Fähigkeit, ein sehr hartes Material flexibel und anpassungsfähig zu machen. Ähnlich wie bei der Kirigami-Papierschneidekunst können sorgfältige geometrische Schnitte harte Materialien flexibel machen“, erklärt der MSCA-Forschungsstipendiat Csaba Forró. Herkömmliche Elektrodenarrays an planaren Grenzflächen verursachen Zellstress und bergen das Risiko, die Organoidstruktur zu beschädigen, was Langzeituntersuchungen und eine genaue Datenerfassung behindert. Die STRELECOID-Technologie ähnelt einem Netz mit geringer räumlicher Ausdehnung und außergewöhnlicher Flexibilität, das sich zu einem Korb entfaltet, in dem das Organoid platziert wird. Das Organoid wächst nahtlos weiter und integriert das Netzelektrodenarray in seine Struktur, das zudem Stabilität bietet. Mikroelektroden mit einem Durchmesser von etwa 25 Mikrometern sind über die gesamte Konstruktion verteilt. Diese werden allmählich in den Organoidkern eingebettet und ermöglichen die Aufzeichnung der elektrischen Aktivität einer Vielzahl von Regionen. Bei diesem Ansatz werden das Einführen eines elektrischen Messgeräts umgangen und auch mögliche Entzündungen im Organoid vermieden.
Fortschrittliches Design und erweiterte Kompatibilität
Durch den Einsatz von Python-basierten Design-Frameworks und physikalischen Simulationen werden diese Arrays vor der Produktion gründlich getestet, um die Kompatibilität mit verschiedenen Organoidtypen und eine lange Stabilität zu gewährleisten. Die bisherigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass das STRELECOID-Netzelektrodenarray mehr als ein halbes Jahr lang ohne Unterbrechung elektrische Aufzeichnungen der Aktivität von Organoiden durchführen kann. „Dies geschieht, ohne das Organoid zu stören oder Stress darauf auszuüben, da sich das Organoid während des gesamten Prozesses in Suspension befindet“, betont Forró. Der STRELECOID-Aufbau ist mit gängigen neurowissenschaftlichen Techniken wie optogenetischen und pharmakologischen Interventionen kompatibel. Innovative Algorithmen ermöglichen die Echtzeit-Erkennung neuronaler Aktivität innerhalb von Aufzeichnungen, wobei die Daten erheblich komprimiert werden und gleichzeitig wesentliche Informationen erhalten bleiben.
Paradigmenwechsel in der Technologie neuronaler Schnittstellen
Nachdem der Erfolg dieses Konzepts nachgewiesen wurde, wird die Optimierung dieser Netzelektrodenarrays fortgesetzt, wobei die mechanische Belastbarkeit und die Leistung der Elektroden weiter verbessert werden sollen. Darüber hinaus hofft das Team, auch andere Arten von Organoiden, einschließlich Herzorganoiden, einsetzen zu können. Gegenwärtig weisen Organoide eine fehlende Vaskularisierung auf, was aufgrund der geringen Sauerstoffdiffusion zu einer Hypoxie in ihrem Kern führt. Mithilfe von Netzelektrodenarrays könnte dieses Problem gelöst werden, indem über sie ein Mikrofluidiknetzwerk integriert wird, das wichtige Moleküle liefern könnte. Mit Blick auf die Zukunft hebt Forró hervor: „Unsere Innovation stellt einen Paradigmenwechsel in der Technologie neuronaler Schnittstellen dar, der das Feld vorantreibt und neue Grenzen beim Verständnis neurologischer Störungen eröffnet.“
Schlüsselbegriffe
STRELECOID, Organoid, elektrische Aktivität, Kirigami, Netzelektrodenarray, induzierte pluripotente Stammzellen, Neurowissenschaft, Technologie neuronaler Schnittstellen, neuropsychiatrische Störungen
