Das weltweit erste Gehirn aus dem 3D-Drucker
TU Wien und Med Uni Wien entwickeln weltweit erstes hochauflösendes Gehirn aus 3D-Drucker. Neues Modell soll primär Erforschung neurodegenerativer Erkrankungen vorantreiben. Spezielle Magnetresonanztomografie hilft dabei.
In einem gemeinsamen Projekt von TU Wien und MedUni Wien wurde das weltweit erste 3D-gedruckte „Gehirn-Phantom“ entwickelt. Das Modell ist dem Aufbau von Gehirnfasern nachempfunden und kann mit einer speziellen Variante von Magnetresonanztomografie (dMRT) bildlich dargestellt werden. Im Rahmen einer Studie hat nun ein wissenschaftliches Team unter Leitung von TU Wien und MedUni Wien gezeigt, dass mit Hilfe dieser Gehirnmodelle die Erforschung von neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und Multiple Sklerose vorangetrieben werden kann. Die Forschungsarbeit wurde in der renommierten Fachzeitschrift „Advanced Materials Technologies“ publiziert.
Das „Brain Phantom“, vulgo Gehirn-Phantom
Grundsätzlich ist die Magnetresonanztomografie (MRT) ein weitverbreitetes Verfahren der bildgebenden Diagnostik, das vor allem für die Untersuchung des Gehirns verwendet wird. Mit der MRT können Aufbau und Funktion des Gehirns ohne Verwendung von ionisierender Strahlung untersucht werden. In einer speziellen Variante der MRT, der diffusionsgewichteten MRT (dMRT), kann darüber hinaus auch die Richtung der Nervenfasern im Gehirn bestimmt werden.
Die korrekte Bestimmung der Nervenfaserrichtung ist jedoch an den Kreuzungspunkten von Nervenfaserbündeln sehr schwierig, da dort Überlagerungen von Nervenfasern mit unterschiedlichen Richtungen auftreten. Um nun das Verfahren weiter zu verbessern sowie Analyse- und Auswertungsmethoden zu testen, entwickelte ein internationales Team in Zusammenarbeit mit TU Wien und der Medizinischen Universität Wien ein sogenanntes „Brain Phantom“ (Gehirn-Phantom), das mit einem hochauflösenden 3D-Druckverfahren hergestellt wurde.
Ein winziger Würfel mit Mikrokanälen
Beim Projekt arbeiteten die Forscher:innen der Med Uni Wien als MRT-Expert:innen und die der TU Wien als 3D-Druck-Expert:innen in enger Abstimmung mit Kollegen der Universität Zürich und dem Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf. Bereits im Jahr 2017 wurde an der TU Wien ein Zwei-Photonen-Polymerisations-Drucker entwickelt und dieser ermöglicht einen hochskalierten Druck. Im Zuge dessen wurde gemeinsam mit der Medizinischen Universität Wien und der Universität Zürich auch an Gehirn-Phantomen als Anwendungsfall gearbeitet. Das daraus entstandene Patent bildet nunmehr die Basis für das aktuell neu entwickelte Gehirn-Phantom und wird vom Forschungs- und Transfersupport der TU Wien betreut.
Optisch hat dieses Phantom nicht viel mit einem echten Gehirn zu tun. Es ist viel kleiner und hat die Form eines Würfels. In seinem Inneren befinden sich feinste, mit Wasser befüllte Mikrokanäle in der Größenordnung einzelner Hirnnerven. Die Durchmesser dieser Kanäle sind fünfmal dünner als ein menschliches Haar. Um das feine Netzwerk der Nervenzellen im Gehirn nachzuahmen, griff das Forschungsteam um Michael Woletz (Zentrum für Medizinische Physik und Biomedizinische Technik, MedUni Wien) und Franziska Chalupa-Gantner (Forschungsgruppe 3D Printing and Biofabrication, TU Wien) auf eine dafür eher unübliche 3D-Druckmethode zurück: die Zwei-Photonen-Polymerisation.
Die genaue Rekonstruktion der Nervenarchitektur des Gehirns
Diese hochauflösende Methode wird vor allem zum Druck von Mikrostrukturen im Nano- und Mikrometerbereich verwendet – und nicht für den Druck dreidimensionaler Strukturen im Bereich von Kubikmillimetern. Um Phantome in geeigneter Größe für die dMRT zu erstellen, beschäftigten sich die Forscher an der TU Wien mit der Optimierung der Skalierung der 3D-Druckverfahren, um damit dann den Druck von größeren Objekten mit hochaufgelösten Details zu ermöglichen. Durch den „hochskalierten“ 3D-Druck erhalten die Forschenden sehr gute Modelle, die unter der dMRT betrachtet verschiedene Nervenstrukturen zuordenbar machen.
Michael Woletz vergleicht diese Verbesserung der Diagnosefähigkeiten von dMRT mit der Funktionsweise einer Handykamera: „Den größten Fortschritt bei der Fotographie mit Handykameras sehen wir nicht unbedingt bei neuen, besseren Linsen, sondern bei der Software, die die aufgenommenen Bilder verbessert. Ähnlich ist es bei der dMRT, wo nun mittels des neu entwickelten Gehirn-Phantoms die Analysesoftware viel genauer justiert werden kann und damit die Qualität der gemessenen Daten verbessert und die Nervenarchitektur des Gehirns genauer rekonstruiert werden kann“, erklärt Michael Woletz von der Med Uni Wien.
Gehirn-Phantom trainiert Analysesoftware
Die authentische Nachbildung dieser Nervenstrukturen im Gehirn braucht es um die Analysesoftware der dMRT „zu trainieren“. Die Verwendung von 3D-Druck erlaubt es dabei komplexe Designs zu erstellen, die verändert und angepasst werden können, zum Beispiel sich kreuzende Nervenbahnen. Durch den 3D-Druck ist das Design der Gehirn-Phantome genau bekannt und die Ergebnisse der Analyse können überprüft werden. Dass dies funktioniert, konnten die TU Wien und die MedUni Wien im Rahmen der gemeinsamen Forschungsarbeit zeigen.
Mit Hilfe der entwickelten Phantome kann die dMRT verbessert werden, wovon die Planung von Operationen und die Erforschung von neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und Multiple Sklerose profitieren können. Herausforderungen sind nun noch die Skalierung der Methode. „Die hohe Auslösung der zwei-Photon-Polymerisation ermöglicht den Druck von Details im Mikro- und Nanometerbereich und eignet sich daher sehr gut um Hirnnerven abzubilden. Gleichzeitig dauert es mit dieser Technik aber entsprechend lange, einen mehrere Kubikzentimeter großen Würfel zu drucken“, erklärt Franziska Chalupa-Gantner von der TU Wien. Im nächsten Schritt soll daher auch der Druckprozess selbst weiter optimiert werden.