До сих пор выращивать клетки мозга в 3D было очень сложно: обычные 3D-каркасы либо были слишком жесткими, либо быстро разрушались, не позволяя клеткам нормально взаимодействовать. Недавно команда ученых из Кильского университета (Германия) создала новый материал — аэрогидрогели.
Это сверхлегкие, пористые 3D-структуры, на которых человеческие мозговые клетки (астроциты и микроглия) могут расти, формировать сети и обмениваться сигналами почти как в настоящем мозге. В разработке участвовали специалисты из Кильского университета, Гарвардской медицинской школы (США) и Оксфордского университета (Великобритания).
Как создавались аэрогидрогели
В основе нового материала — тетраподальные кристаллы оксида цинка (t-ZnO), которые образуют прочный трехмерный «скелет» с четырьмя «ногами». На этот каркас наносят ультратонкий слой гидрогеля с помощью метода инициированного химического осаждения из паровой фазы (iCVD). Затем оксид цинка удаляют, и остается только легчайший гидрогелевый каркас, похожий на вату или перо.
Преимущества перед обычными 3D-каркасами:
- Стабильны долгое время (не растворяются за несколько дней).
- Можно отдельно регулировать размер пор, жесткость и химию поверхности — под разные ткани (мозг мягкий, сердце жестче).
- Питательные вещества и сигнальные молекулы свободно проходят сквозь поры.
«Наши аэрогидрогели имитируют внеклеточное пространство мозга. Мы можем точно настраивать механические свойства, чтобы адаптировать материал под разные органы», — говорит профессор Райнер Аделунг, один из авторов разработки.
Как клетки взаимодействуют в новом материале
Ученые вырастили на аэрогидрогелях человеческие астроциты (поддерживают нервную ткань) и микроглию (иммунные клетки мозга). Чтобы проверить их взаимодействие, они вызвали воспалительный ответ, добавив липополисахарид (LPS) — компонент, который имитирует инфекцию. При одиночном культивировании микроглии воспалительная реакция была выраженной: повышалась экспрессия провоспалительных факторов, снижалась жизнеспособность клеток.
В совместной культуре с астроцитами интенсивность воспаления существенно снижалась, а выживаемость клеток улучшилась. При этом клетки не контактировали напрямую — они были разделены порами материала. Тем не менее астроциты эффективно подавляли чрезмерную активацию микроглии. Это свидетельствует о том, что в аэрогидрогелях клетки мозга способны к межклеточному взаимодействию через диффузию сигнальных молекул — даже без физического контакта.
Созданный учеными материал открывает новые возможности. Он позволит:
- Лучше моделировать болезни мозга (Альцгеймер, Паркинсон, воспаления, травмы).
- Тестировать лекарства на реалистичных моделях.
- Снижать количество экспериментов на животных — сложные процессы можно изучать в пробирке.
- В будущем — выращивать ткани для регенеративной медицины.
Ранее из головастиков сделали киборгов, чтобы изучить их мозг.