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Kieler Forschende der Materialwissenschaft und Medizin entwickeln ultraleichte 3D-Aerohydrogels. In internationaler Zusammenarbeit ermöglichen die Gerüste, dass Gehirnzellen wachsen und sich miteinander vernetzen – mit Potenzial für Neuroforschung und Gewebeengineering.
Bisher waren herkömmliche 3D-Zellkulturen oft zu starr oder instabil, um die komplexen Interaktionen von Gehirnzellen realistisch abzubilden. Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben nun ein neuartiges 3D-Material entwickelt, auf dem menschliche Gehirnzellen im Labor wachsen und Signale austauschen können. Damit lassen sich neuronale Prozesse und Zellkommunikation deutlich näher an der realen Physiologie untersuchen.
Ein interdisziplinäres Team um den Materialwissenschaftler Dr. Stefan Schröder von der Technischen Fakultät hat die „Aerohydrogels“ hergestellt – ultraleichte, hohlfaserige Gerüste, die Astrozyten und Mikroglia ein realistisches dreidimensionales Umfeld bieten. Dies berichtet das Team in internationaler Zusammenarbeit mit Forschenden der Harvard Medical School (USA) und der University of Oxford (UK) im Journal „Chem & Bio Engineering“.
Die Gerüste basieren auf tetrapodalen Zinkoxid-Kristallen (t‑ZnO), die zunächst ein vernetztes 3D-Skelett bilden. Dieses beschichteten die Forschenden mit einem hauchdünnen Hydrogel über die initiierte chemische Gasphasenabscheidung (iCVD). Anschließend entfernten sie das Zinkoxid. Übrig blieb ein leichter Hydrogel-Rahmen, der den Zellen Halt gibt und gleichzeitig Nähr- und Signalstoffe hindurch diffundieren lässt.
Im Vergleich zu herkömmlichen 3D-Zellgerüsten, die sich oft nach wenigen Tagen auflösen oder weniger flexibel in der Porengröße sind, bleiben die Aerohydrogels stabil und unabhängig flexibel in der Porengröße, Mechanik und Oberflächenchemie. Bei anderen Zellgerüsten hängen diese Parameter voneinander ab und können nicht individuell auf einen Zelltyp angepasst werden. „Unsere Aerohydrogels imitieren den extrazellulären Raum im Gehirn“, sagt Professor Rainer Adelung, weltweit führender Experte bei der Weiterentwicklung von tetrapodalem Zinkoxid und ebenfalls an der Studie beteiligt. „Wir passen mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit und Porengröße gezielt an. So können wir die Gerüste zukünftig auch für verschiedene Gewebe nutzen – Herzgewebe ist beispielsweise viel fester als Gehirngewebe, und die Aerohydrogels berücksichtigen diese Unterschiede.“
Die Forschenden nutzen dieselbe iCVD-Beschichtungstechnologie auch im Startup conformally, das Schröder und Erstautor Torge Hartig aus der CAU heraus gegründet haben. Künftig könnten sie die 3D-Gerüste über das Unternehmen kommerziell anbieten.
Hirnzellen vernetzen sich im Ultraleicht-Gerüst
Auf der medizinischen Seite arbeiteten die Forschenden mit menschlichen Gehirnzellen: Astrozyten, die das Nervengewebe gesund halten, und Mikroglia, die als Immunzellen potenzielle Gefahren erkennen und darauf reagieren.
Um zu testen, wie diese Zellen miteinander kommunizieren, setzte Erstautorin Dr. Luise Schlotterose von der Universität Oxford ein klassisches Reagenz namens Lipopolysaccharid (LPS) ein, einem bakteriellen Stoff, der Entzündungsreaktionen auslöst. Anschließend untersuchte sie mit ihren Kolleg*innen am Anatonimischen Institut, wie die Zellen auf molekularer Ebene reagieren, indem sie die Aktivität bestimmter Gene analysierte, die Entzündungsbotenstoffe steuern.
Die Ergebnisse zeigten: Mikroglia reagieren anders, wenn sie alleine auf dem Aerohydrogel wachsen, als in Co-Kulturen mit Astrozyten. Zusammen mit Astrozyten schwächten sie bestimmte Entzündungsreaktionen ab – ein Hinweis, dass die Zellen über das 3D-Gerüst kommunizieren, auch ohne direkten Kontakt.
In den Aerohydrogelen ließen sich neuronale Prozesse, Zellkommunikation und Reaktionen auf äußere Reize deutlich authentischer untersuchen als in herkömmlichen 2D- oder Standard-3D-Kulturen. Langfristig könnten die Aerohydrogels dazu beitragen, beschädigtes oder verlorenes Gewebe im Labor nachzubilden. Sie bieten damit die Möglichkeit, Tierversuche zu reduzieren, da komplexe Zellinteraktionen direkt in vitro untersucht werden könnten.
Über den Forschungsschwerpunkt KiNSIS
Im Nanokosmos herrschen andere, quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Strukturen und Prozesse in diesen Dimensionen zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsnah umzusetzen, ist das Ziel des Forschungsschwerpunkts KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Aus der intensiven interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieur- und Lebenswissenschaften entstehen neue Moleküle und Materialien, Sensoren und Batterien, Quantentechnologien, katalytische Verfahren, medizinische Therapien und vieles mehr. www.kinsis.uni-kiel.de
Dr. Stefan Schröder
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU)
AG „Kompositmaterialien“
Email: ssch@tf.uni-kiel.de
Telefon: +49 431 880-6232
Torge Hartig et al. (2026): „3D Aerohydrogel Scaffolds for Brain Tissue Engineering and In Vitro Neuroscience“, Chem. & Bio. Eng., ASAP, DOI: 10.1021/cbe.5c00104
https://www.uni-kiel.de/de/detailansicht/news/032-neues-3d-material-laesst-gehir...
https://www.uni-kiel.de/de/012-conformally
Fluoreszierende Astrozyten unter dem Mikroskop: Die Zellen zeigen ihr Zytoskelett in Rot, ihre Astro ...
Copyright: Luise Schlotterose
Watteartig und federleicht: Auf einem solchen Aerohydrogel können sich menschliche Gehirnzellen im L ...
Copyright: Christina Anders, Uni Kiel
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists
Materials sciences, Medicine
transregional, national
Research results, Transfer of Science or Research
German
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