3D-Gewebemodelle des Rückenmarks zur Untersuchung neurodegenerativer Erkrankungen
Herausforderungen bei der Entwicklung von 3D-Rückenmarkmodellen
Die Nachbildung von Rückenmarksgewebe in vitro ist technisch anspruchsvoll. Nervengewebe besitzt eine extrem geringe Steifigkeit und wird daher als „ultraweiches Gewebe“ bezeichnet. Entsprechend muss auch die extrazelluläre Matrix (ECM), die das Wachstum und die Organisation neuronaler Zellen unterstützt, diese mechanischen Eigenschaften präzise imitieren.
Ein zentrales Problem besteht darin, dass solche weichen Strukturen mechanisch instabil sind. Zur Stabilisierung werden daher:
- thermoplastische Gerüste
- mikroskalige Faserstrukturen
eingesetzt. Diese verstärken die künstliche ECM gezielt, und können auch von den Zellen unterstützend genutzt werden, ohne deren biologische Funktionalität zu beeinträchtigen.
Mikrofasern als Schlüsselkomponente funktioneller 3D-Modelle
In Zusammenarbeit mit Dr. Gregor Lang (Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde in Würzburg) werden gesponnene und gedruckte Mikrofasern entwickelt, die nur wenige Mikrometer groß sind und gezielt in Form, Länge und Oberflächenbeschaffenheit variiert werden können.
Ziel ist es, systematisch zu untersuchen, welche Faserparameter optimal mit unterschiedlichen Zelltypen interagieren. Verglichen wurden „harte“ Fasern mit runden Enden (hantelförmig), steife Fasern mit geraden Enden sowie weiche Fasern mit ähnlicher Form. Dabei zeigte sich:
- alle getesteten Fasertypen sind zellverträglich
- Zellverhalten wird stark durch die physikalischen Eigenschaften der Fasern beeinflusst
- Unterschiedliche Faserdesigns fördern gezielt:
- Zellmigration
- Zelladhäsion
- Bildung von Zellclustern
Mittels fluoreszenter Markierungen konnte nachgewiesen werden, dass Zellen fokale Adhäsionen ausbilden und aktiv mit den Mikrofasern interagieren. Zeitrafferanalysen zeigen, dass Zellen:
- Fasern aktiv bewegen
- einzelne Strukturen umschließen
- sich gezielt entlang weicher Kollagenfasern organisieren
Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass das Design der Mikrofasern ein zentraler Steuerungsfaktor für die Organisation und Funktion neuronaler Zellen ist. Je nach Forschungsziel können passende Fasertypen eingesetzt werden – etwa zur Steuerung des Wachstums von Nervenzellen, zur Förderung der Zellmigration oder für die möglichst naturgetreue Nachbildung von Gewebestrukturen. Zusätzlich statten wir die Fasern mit biofunktionellen Eigenschaften aus, indem wir ihre Oberfläche mit adhäsionsfördernden Materialien oder bioaktiven Molekülen modifizieren. Ziel ist es, zelluläre Prozesse wie Adhäsion, Proliferation oder Reifung gezielt zu beeinflussen. Dadurch entsteht ein Modell, das hilft, neurologische Erkrankungen besser zu verstehen und neue therapeutische Ansätze zu entwickeln.
Ausgewählte Literatur
Murenu, N., Kasteleiner, M., Lamberger, Z., Tuerker, E., Theis, K., Jablonka, S., Hemmen, H., Schenk, j., Heinze, K. G., Villmann, C., Lang, G. and Schaefer, N.; Impact of Polymorphic Micro-Fibers for Establishment of Neuronal Models. (2024). NanoSelect e202400122. https://doi.org/10.1002/nano.202400122
Schaefer, N., Andrade Mier, M. S., Sonnleitner, D., Murenu, N., Ng, X.J., Lamberger, Z., Buechner, M., Trossmann, V.T., Schubert, D.W., Scheibel, T. and Lang, G. Rheological and Biological Impact of Printable PCL-Fibers as Reinforcing Fillers in Cell-Laden Spider-Silk Bio-Inks. (2023). Small Methods, DOI:10.1002/smtd.202201717
Sonnleitner, D., Schaefer,, N., Wieland, A.L., Fischer, L., Pasberg, P., Thievessen, I. and Lang, G., PCL micro-dumbbells – A new class of polymeric particles reveals morphological biofunctionality. (2021). Appl Mater Today, Doi:10.1016/j.apmt.2021.101097
3D-Rückenmarkmodelle: Aufbau und Funktion
Die entwickelten Modelle basieren auf einer Kombination aus:
- Thermoplastgerüsten
- Hydrogel-basierter extrazellulärer Matrix
- primären Rückenmarkneuronen
In diesen 3D-Kulturen werden sowohl die Netzwerkbildung als auch die elektrophysiologischen Eigenschaften der Neuronen untersucht.
Erste Ergebnisse zeigen klare Vorteile gegenüber klassischen 2D-Kulturen:
- schnellere Proteinreifung
- verbesserte neurale Netzwerkbildung
- realistischere zelluläre Interaktionen
Weiterentwicklung zu einer adaptiven 3D-Plattform
Das Modell wurde zu einer anpassbaren 3D-Plattform für das Rückenmark weiterentwickelt. Hierbei kommt eine Hydrogel-Matrix auf Basis von Hyaluronsäure zum Einsatz – einem natürlichen Bestandteil des Nervengewebes.
Die Plattform ermöglicht eine gezielte Variation von:
- mechanischen Eigenschaften
- Zellzusammensetzung
- biochemischen Signalen
Getestet wurden verschiedene Komplexitätsstufen:
- Rückenmarkneuronen allein
- Neuronen + Astrozyten (Co-Kultur)
- Neuronen + Astrozyten + Laminin
Die Kombination aller Komponenten führte zu den besten Ergebnissen. Dabei entstanden besonders reife und funktionelle neuronale Netzwerke.
Anwendung in der Krankheitsforschung
Die Plattform eignet sich insbesondere zur Untersuchung neurologischer Erkrankungen. So konnte erstmals in einem 3D-Modell gezeigt werden, dass Autoantikörper beim Stiff-Person-Syndrom die Funktion von Rückenmarkneuronen direkt beeinträchtigen.
Darüber hinaus bietet das System großes Potenzial für die Erforschung weiterer Erkrankungen, darunter:
- spinale Muskelatrophie (SMA)
- amyotrophe Lateralsklerose (ALS)
- Hyperekplexie
Die Modelle ermöglichen:
- realitätsnahe In-vitro-Analysen
- kosteneffiziente Wirkstofftests
- eine deutliche Reduktion von Tierversuchen
Flexible „Toolbox“ für individualisierte Modelle
Ein zentrales Merkmal der Plattform ist ihr modularer Aufbau. Die Kombination aus:
- variabler ECM
- unterschiedlichen Zelltypen
- mechanischer Verstärkung
- funktioneller Charakterisierung (z. B. Ca²⁺-Imaging, Mikroskopie)
ermöglicht eine zielgerichtete Anpassung an spezifische Fragestellungen. Dadurch lassen sich gesunde und krankheitsassoziierte Zustände direkt vergleichen.
Ausgewählte Literatur
Fischhaber, N., Faber, J., Bakirci, E., Dalton, PD., Budday, S., Villmann, C. and Schaefer, N. Spinal Cord Neuronal Network Formation in a 3D Printed Reinforced Matrix—A Model System to Study Disease Mechanisms. (2021). Adv Healthc Mater, DOI: 10.1002/adhm.202100830
Murenu, N., Tuerker, E., Wiessler, A., Faber, J., Liashenko, I., Weigelt, J., Tessmar, J. Dalton, P., Jablonka, S., Andrade Mier, M.S., Villmann, C., Budday, S., Schaefer, N. Purpose-Adaptable Reinforced 3D Hyaluronic-Acid Based Platform to Study Pathomechanisms of the Central Nervous System. (2026). Adv Healthc Mater, https://doi.org/10.1002/adhm.202505946
Schaefer, N., Janzen, D., Bakirci, E., Hrynevich, A., Dalton, P. D. and Villmann, C. 3D Electrophysiological Measurements on Cells Embedded within Fiber-Reinforced Matrigel. (2019). Adv Healthc Mater, DOI: 10.1002/adhm.201801226
