Een heus 3D brein op een chip

Om de werking van hersencellen te bestuderen en bijvoorbeeld ook het effect van medicatie op celniveau, volstaat een gewoon petrischaaltje met platte elektroden niet. Voor realistische studies moeten de cellen kunnen gedijen in een driedimensionale omgeving. Promovendus Bart Schurink, van het Mesa+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente, heeft daarvoor een zeef gemaakt met 900 openingen, waarin elke opening een omgekeerde micro-piramide is met plek voor één hersencel. Boven al deze openingen groeit dan een netwerk van cellen in een microreactor.

Een brain-on-a-chip vergt meer dan een serie elektroden in het platte vlak, waarop hersencellen gekweekt kunnen worden. Om de werking van een brein realistischer te kunnen nabootsen, zijn ook voorzieningen nodig voor vloeistofstroming en moeten cellen kunnen worden afgezonderd terwijl ze wel bewegingsvrijheid houden. Schurink heeft daarvoor een microzeefstructuur gemaakt waarin vele honderden openingen zijn aangebracht op een oppervlak van twee bij twee millimeter. Die openingen hebben de vorm hebben van een omgekeerde piramide. Elke piramide is voorzien van een elektrode om elektrische prikkels te kunnen meten, of zo nodig toe te dienen. Tegelijk heeft zo'n piramide een minuscule opening voor vloeistofstroming wat het mogelijk maakt om de cellen te vangen. Ook zou dit toegang kunnen geven tot het toedienen van voedingsstoffen of medicatie op het niveau van een enkele cel.

 

Netwerk kweken

De individuele neuronen in de openingen kunnen vervolgens een netwerk vormen. Ook dit gaat verder dan een netwerk dat groeit in het platte vlak tussen alle openingen: bovenop de openingen plaatst Schurink daarvoor een microreactor, zodat het netwerk zich ook verder ‘de hoogte in' kan ontwikkelen. Het groeiproces en de elektrische activiteit is op deze manier te volgen, doordat het bekend is welke cel op welke elektrode zit.

 

Het bouwen van de chip vergt veel van de productiemethoden van het NanoLab, bijvoorbeeld om alle openingen zo goed mogelijk gelijk te krijgen en te werken met 3D-structuren.

 

Celstudies

De µSEA (micro sieve electrode array) die Schurink ontwikkelde, kon hij ook al testen in eerste studies met levende cellen, uit het brein van laboratoriumratten. Het plaatsen van de cellen en de celkweek zijn in deze studies getest. Zo ontstaat een compleet nieuw onderzoeksplatform voor onderzoek naar het brein, naar ziekten en effecten van medicatie.

 

Bart Schurink (Oldenzaal, 1982) heeft zijn onderzoek uitgevoerd in de groep MesoScale Chemical Systems van prof. Han Gardeniers. De groep maakt deel uit van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente. Hij promoveerde op 23 juni op zijn proefschrift ‘Microfabrication and microfluidics for 3D brain-on-chip'.