
Neuronale Sphäroide - dreidimensionale Strukturen von Gehirnzellen - werden zu wichtigen Werkzeugen, um neuronale Netzwerke zu verstehen und neurologische Erkrankungen im Labor zu untersuchen. Der an der EPFL entwickelte e-Flower, eine dreidimensionale Mikroelektrodenmatrix in Form einer Blume, ermöglicht es, die elektrische Aktivität dieser Sphäroiden auf innovative Weise zu überwachen. Die in Science Advances veröffentlichte Technologie ebnet den Weg für die weitere Erforschung von Hirnorganoiden, komplexen miniaturisierten Modellen von Hirngewebe.
Unsere flexible Technologie ermöglicht präzise Aufnahmen, ohne diese dreidimensionalen neuronalen Modelle zu beschädigen.
Stephanie P. Lacour
"Mit dem e-Flower können wir die neuronale Aktivität auf einer großen Fläche der neuronalen Sphäroide in Echtzeit aufzeichnen, was mit den uns zur Verfügung stehenden Werkzeugen nicht möglich war. Unsere flexible Technologie ermöglicht präzise Aufzeichnungen, ohne diese dreidimensionalen neuronalen Modelle zu beschädigen, und bietet so eine genaue Messung der Aktivität dieser komplexen Schaltkreise", erklärt Stephanie P. Lacour, Hauptautorin der Studie und Professorin am Laboratorium für flexible bioelektronische Schnittstellen ( LSBI ) am Neuro X Institut.
Warum neuronale Sphäroide?
"Wir haben uns auf neuronale Sphäroide konzentriert, weil sie ein einfaches und zugängliches Modell darstellen", sagt Eleonora Martinelli, eine der Hauptforscherinnen.Neuronale Sphäroide sind dreidimensionale Strukturen aus Neuronen, die einige der wichtigsten Funktionen des Gehirngewebes nachbilden. Sie sind einfacher als Organoide, die mehrere Zelltypen enthalten und das Gehirn naturgetreuer nachahmen. Das LSBI-Team auf dem Biotech-Campus arbeitete mit Luc Stoppini und Adrien Roux vom Laboratoire d’ingénierie tissulaire (HEPIA-HESGE) zusammen, Forschern mit langjähriger Erfahrung in der Elektrophysiologie von neuronalen Sphäroiden.
"Sphäroide sind im Labor relativ leicht herzustellen und zu manipulieren, was sie zu einem idealen Modell für erste Tests macht", fährt Eleonora Martinelli fort. Unser Ziel ist es jedoch, den e-Flower auf Hirnorganoide anzuwenden, die die Entwicklung und Störungen des Gehirns genauer modellieren."

"Organoide stellen eine spannende Schnittstelle sowohl für die neurowissenschaftliche Forschung als auch für die Neurotechnologien der nächsten Generation dar", fügt Stéphanie Lacour hinzu. Sie schließen die Lücke zwischen vereinfachten In-vitro-Modellen und der Komplexität des menschlichen Gehirns. Unsere Arbeit mit dem e-Flower ist ein entscheidender Schritt, um diese dreidimensionalen Modelle erforschen zu können."
Gelegenheit und Einfallsreichtum als Ursprung der Innovation
Was ursprünglich ein Problem für ein Projekt war, wurde zur Lösung für ein anderes.
Eleonora Martinelli
Kurioserweise entstand der e-Flower aus einer unerwarteten Entdeckung. Outman Akouissi, Mitarbeiter und Co-Autor der Studie, stieß bei der Arbeit an flexiblen Implantaten für periphere Nerven auf ein Problem: Die Hydrogele, die er verwendete, führten dazu, dass sich seine Geräte in unvorhersehbarer Weise kräuselten, wenn sie Wasser ausgesetzt waren. Akouissi und Martinelli erkannten, dass dieser Kräuselungsmechanismus für eine völlig andere Anwendung genutzt werden konnte: das Umhüllen von neuronalen Sphäroiden.
"Das war ein perfektes Beispiel für die Kombination von Gelegenheit und Einfallsreichtum", erklärt die Forscherin. Was ursprünglich ein Problem für ein Projekt war, wurde zur Lösung für ein anderes".
Ein neuer Ansatz für die neuronale Elektrophysiologie
Das Gerät besteht aus vier flexiblen Blütenblättern mit Platinelektroden, die sich um das Sphäroid wickeln, wenn sie der Flüssigkeit ausgesetzt werden, die die Zellstruktur stützt. Diese Aktivierung wird durch das Aufquellen eines weichen Hydrogels bewirkt, wodurch die Vorrichtung sowohl gewebefreundlich als auch einfach zu verwenden ist.Der e-Flower wurde so konzipiert, dass er mit bestehenden elektrophysiologischen Messsystemen kompatibel ist und bietet eine "Plug-and-Play"-Lösung (sofort einsatzbereit) für Wissenschaftler.
Nach der Anwendung auf Organoide wird die Fähigkeit des e-Flowers, die elektrische Aktivität von allen Seiten aufzuzeichnen, ein viel umfassenderes Verständnis der Gehirnprozesse ermöglichen. Das Forschungsteam hofft, dass dies zu neuen Erkenntnissen über die neurologische Entwicklung, die Erholung von Hirnverletzungen und neurologische Erkrankungen führen wird.