Neue Technologien ermöglichen die vollständige Netzwerk-Kartierung menschlicher neuronaler Aktivität
Forscher haben fortschrittliche Plattformen entwickelt, um menschliche neuronale Netzwerke zu untersuchen, darunter 3D-Bioelektronik für Hirnorganoide sowie skalierbare 2D-Neuronennetzwerke, die hirnähnliche Rhythmen und Arzneimittelantworten sichtbar machen. Die Ansätze sollen die Kartierung, Stimulation und systematische Testung neuronaler Aktivität in lebenden menschlichen Gewebemodellen deutlich verbessern.
Ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Northwestern University und des Shirley Ryan AbilityLab hat eine neue Technologie entwickelt, die die verborgenen elektrischen Dialoge belauschen kann, die sich in miniaturisierten, im Labor gezüchteten, menschenähnlichen Hirngeweben abspielen. Das weiche, dreidimensionale elektronische Gerüst umhüllt ein Organoid wie ein atmungsaktives Hightech-Netz und bietet mit Hunderten miniaturisierter Elektroden eine nahezu vollständige, formschlüssige Abdeckung. Die Studie wurde am 18. Februar in der Zeitschrift Nature Biomedical Engineering veröffentlicht.
Wissenschaftler, die menschliche neuronale Organoide untersuchen, konnten Aktivität nur in begrenzten Regionen aufzeichnen und stimulieren, weil konventionelle flache Elektronik sich der dreidimensionalen, kugelförmigen Struktur der Gewebe nicht gut anpasst. Statt ausgewählte Bereiche zu beproben, liefert die neue Technologie eine dichte, dreidimensionale Schnittstelle, die es Wissenschaftlern ermöglicht, neuronale Aktivität über nahezu das gesamte Organoid hinweg zu kartieren und zu manipulieren.
„Aus menschlichen Stammzellen abgeleitete Organoide sind zu einem zentralen Fokus der biomedizinischen Forschung geworden, weil sie patientenspezifische Studien darüber ermöglichen, wie Gewebe auf Arzneimittel und neu entstehende Therapien reagieren“, sagte ein Bioelektronik-Pionier, der die Geräteentwicklung leitete. „Labore in Wissenschaft und Industrie haben diese Gewebekonstrukte über die Jahre entwickelt, und die National Institutes of Health (NIH) haben Förderlinien initiiert, um Arbeiten in diese Richtung zu beschleunigen. Eine entscheidende fehlende Komponente ist eine Hardware-Technologie, die diese winzigen Organ-Analoga im menschlichen Körper untersuchen, stimulieren und manipulieren kann.“
„Menschliche neuronale Organoide sind lebende 3D-Gewebe, die aktive neuronale Schaltkreise enthalten, die über elektrische Signale kommunizieren. Die modernsten Instrumente, die wir zu ihrer Untersuchung einsetzen, wurden jedoch ursprünglich für flache Zellschichten entwickelt und lassen sich mit Organoiden, die kugelförmig und dreidimensional sind, nicht gut koppeln“, sagte ein Forscher, der die Organoid-Entwicklung leitete. „Indem wir weiche, formangepasste Elektronik schaffen, die sich der Geometrie des Organoids anpasst, können wir nun gleichzeitig an Hunderten von Stellen seiner Oberfläche aufzeichnen und stimulieren. Dadurch können wir neuronale Aktivität auf der Ebene ganzer Netzwerke statt isolierter Signale untersuchen.“
In einem ergänzenden Ansatz, der in Neurobiology of Disease veröffentlicht wurde, haben Forscher am Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute zusammen mit Kollegen an der University of California San Diego und BioMarin Pharmaceutical ein vereinfachtes, skalierbares Modell menschlicher Zellen entwickelt, um zu untersuchen, wie koordinierte Rhythmen entstehen und wie sie reagieren, wenn Neuronen durch chemische Verbindungen gestört werden.
Der Ansatz des Teams bestand darin, zweidimensionale Netzwerke menschlicher Neuronen zu züchten, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen (induced pluripotent stem cells, iPSCs) abgeleitet wurden. Die Wissenschaftler zeichneten die Aktivität der Neuronen über die Zeit mithilfe von Multi-Elektroden-Arrays auf – Platten, in die winzige Sensoren eingebettet sind und die viele unabhängige Netzwerke parallel überwachen können. Da iPSCs im Labor aus leicht zugänglichen Spenderzellen, etwa aus Haut- oder Blutproben, erzeugt werden können, ermöglichen sie die Herstellung großer Mengen menschlicher Neuronen sowohl von gesunden Personen als auch von Patienten.
Während diese 2D-Netzwerke reiften, beobachteten die Forscher das Auftreten „verschachtelter Oszillationen“ – langsamer Wellen mit schnellerer rhythmischer Struktur, die in ihnen geschichtet ist. Diese Oszillationen wurden über Frequenzbereiche hinweg beobachtet, die häufig in Hirnableitungen zu sehen sind (Delta, Theta und Alpha).
„Die Ergebnisse dieser und anderer Experimente zeigen, dass dieses vereinfachte 2D-neuronale Netzwerkmodell zentrale Merkmale der Netzwerkreifung erfasst und uns den Umfang und die Kontrolle gibt, die für systematische Tests erforderlich sind“, sagte der leitende und mitkorrespondierende Autor der Studie, ein außerordentlicher Professor am Center for Therapeutics Discovery des Sanford Burnham Prebys und Direktor für Cell Biology am Conrad Prebys Center for Chemical Genomics.
Die neue Arbeit positioniert 2D-Netzwerke als Ergänzung zu dreidimensionalen Hirnorganoiden. Organoide, die ebenfalls aus iPSCs erzeugt werden, können Aspekte der Gewebearchitektur, der zellulären Vielfalt und der Netzwerkaktivität nachbilden, die in 2D-Formaten schwer zu reproduzieren sind. Gleichzeitig kann die Komplexität von Organoiden bestimmte Experimente erschweren, die in großem Maßstab durchgeführt werden sollen – insbesondere Studien, die eine große Zahl an Replikaten oder umfangreiche Dosis-Wirkungs-Tests über viele Bedingungen hinweg erfordern.
„Organoide sind von unschätzbarem Wert, um Aspekte der Gehirnorganisation zu modellieren“, sagte der leitende Autor. „Was wir hier hinzufügen, ist eine ergänzende 2D-Plattform, die experimentelle Kontrolle und Durchsatz betont – Fähigkeiten, die besonders nützlich für Benchmarking und systematische Tests in der Krankheitsmodellierung und der frühphasigen therapeutischen Bewertung sein können.“
Ein zentraler Schwerpunkt der Studie des Teams war die inhibitorische Signalübertragung, die durch GABA vermittelt wird – einen Neurotransmitter, der von GABAergen Neuronen produziert wird und dazu beiträgt, die Netzwerkaktivität zu stabilisieren und zu beruhigen. So fördert dieses inhibitorische System beispielsweise den Schlaf und verhindert Krampfanfälle.
Das Team stellte fest, dass verschachtelte Rhythmen reduziert waren, wenn die GABA-Signalübertragung mit einem GABA-A-Rezeptor-Antagonisten blockiert wurde, und dass eine Erhöhung des Anteils GABAerger Neuronen im Netzwerk dazu führte, dass diese Rhythmen früher auftraten. Ihre Ergebnisse stimmen mit früheren Erkenntnissen in diesem Bereich überein und unterstützen Folgeuntersuchungen dazu, wie GABA-vermittelte Inhibition das Entstehen und die Reifung von Oszillationen in iPSC-basierten Modellen neuroentwicklungsbedingter und psychiatrischer Erkrankungen prägt.
Die Forscher testeten außerdem Arzneimittel, die Kaliumkanäle beeinflussen. Diese Proteine helfen dabei, die Fähigkeit eines Neurons festzulegen, elektrische Signale zu erzeugen und weiterzuleiten – was als neuronale Erregbarkeit bekannt ist. Ihre Ergebnisse deuteten darauf hin, dass unterschiedliche Störungen von Kaliumkanälen die rhythmische Organisation auf verschiedene Weise beeinflussen können. Dies unterstreicht, dass Erregbarkeit kein einzelner Regler ist, der sich einfach hoch- oder runterdrehen lässt, und dass spezifische Mechanismen spezifische Signaturen auf Netzwerkebene haben können.
Indem die Technologie hirnähnliche Aktivität und Arzneimittelreaktionen ganzer Netzwerke in lebenden menschlichen Gewebemodellen erfasst, könnte sie die Krankheitsforschung, das Testen von Therapien und die Entwicklung neuroregenerativer Behandlungen der nächsten Generation beschleunigen. Da Organoide im Rahmen von NIH-Initiativen und in der industriellen Arzneimittelentwicklung eine wachsende Priorität werden, liefern diese Fortschritte in der Aufzeichnungs- und Stimulationstechnologie entscheidende Werkzeuge für die Entwicklung wirksamer Therapien gegen Erkrankungen des Gehirns.