Mikrokontaktdrucke mit Kollagen ermöglichen multiplexe Assays in organotypischen Hirnschnitten:

Professor Christian Humpel und sein Team an der Medizinischen Universität Innsbruck, Österreich, haben eine praktische, bildgebungsfreundliche Plattform entwickelt, die eine präzise räumliche Kontrolle über lebende Hirnschnitte ermöglicht. Anhand von 150 Mikrometer dicken organotypischen Mausschnitten, die an der Membran-Grenzfläche kultiviert werden, erhalten sie die nativen dreidimensionalen Netzwerke bei gleichzeitiger Anwendung lokaler biochemischer Signale. Dieser Ansatz ermöglicht es der Gruppe, neuronales Auswachsen, Mikroglia-Aktivierung und vaskuläres Verhalten in einem einzigen manipulierbaren Ex-vivo-System zu untersuchen, und reduziert Tierversuche, indem er mehrere Versuchsbedingungen aus demselben Gehirn ermöglicht.

Der Arbeitsablauf kombiniert Mikrokontaktdruck mit einem kollagenbasierten Hydrogel, um schmale Bahnen oder definierte Punktmuster aus Proteinen auf semipermeablen Membranen zu erzeugen. PDMS-Stempel, die aus Siliziumwafer-Vorlagen von GeSiM abgeformt wurden, übertragen Kollagen, das mit einem einzelnen interessierenden Molekül – z.B. NGF, GDNF, MCP-1, Polyornithin oder menschlichem Plasma – beladen ist, auf die Membranoberfläche, und die Schnitte werden direkt auf diese Abdrücke gelegt. Über Tage bis Wochen hinweg wachsen cholinerge oder dopaminerge Axone entlang der mit NGF oder GDNF bedruckten Bahnen, wandern Mikroglia in Richtung von MCP-1 oder aus Plasma stammenden Signalen, und endotheliale Elemente reorganisieren sich oder wachsen entlang der kollagenbasierten Drucke, während das Gewebe für die Inversfluoreszenz- und Live-Bildgebung zugänglich bleibt. Die Kollagenmatrix dient sowohl als physikalische Führung als auch als Mechanismus zur allmählichen Freisetzung, wodurch die Methode für Experimente zur Führung, Migration und lokalisierten Exposition geeignet ist.

In mehreren Veröffentlichungen der Gruppe haben diese strukturierten Schnittstellen reproduzierbare, biologisch aussagekräftige Ergebnisse geliefert. Cholinergische und dopaminerge Fasern wachsen zu ausgerichteten Bündeln entlang ihrer jeweiligen Trophofaktor-Prints, und neu gebildete Nervenfasern können mit Lebendzellfarbstoffen oder Kalziumindikatoren auf kompatiblen „Ring-Insert“-Systemen überwacht werden [1, 6]. Mikroglia wandern entlang von MCP-1-beladenen Mustern oder reagieren unterschiedlich auf menschliches Plasma von Alzheimer-Patienten [4, 5], und mit Laminin oder Lektin markierte Endothelzellen können über Wochen hinweg verfolgt werden, während sie sich neu organisieren oder auf Wachstumsfaktoren wie FGF-2 reagieren [2, 3]. Das Team hat die Plattform auch genutzt, um translationale Fragen zu untersuchen, indem es Reaktionen auf Gewebeebene mit potenziellen Plasma-Biomarkern verknüpfte [3, 5] und das System als einen Schritt in Richtung eines „Brain-on-a-Chip“ konzipierte, der neuronale, immunologische und vaskuläre Messwerte integriert [4].

Unsere Technologie liefert mehrere Schlüsselelemente dieser Arbeit: die Herstellung hochauflösender Masterformen und PDMS-Stempel, die das Layout definierenden Membranen und Einsätze sowie die reproduzierbare Musterübertragung, die es ermöglicht, das Zellverhalten anhand von Strukturen im Größenbereich von einigen zehn Mikrometern zuverlässig zu steuern. Es gibt praktische Einschränkungen zu beachten: Kollagendrucke zersetzen sich im Laufe von Wochen, sehr feine Strukturen erfordern eine sorgfältige Herstellung, und die meisten Studien verwenden postnatales Gewebe, das plastischer ist als das erwachsene Gehirn. Dennoch hat Humpels Labor gezeigt, dass der auf organotypische Schnitte angewandte Mikrokontaktdruck eine kompakte, reproduzierbare Plattform für mechanistische Experimente, Live-Funktionsmessungen und translationale Studien bietet.

Mit Blick auf die Zukunft bietet die Kombination aus strukturierten Kollagenabdrücken und organotypischen Schnitten ein klares Potenzial, um neue Erkenntnisse zu beschleunigen und die Abhängigkeit von Studien an ganzen Tieren zu verringern. Durch die Ermöglichung räumlich aufgelöster Störungen und longitudinaler Bildgebung in intaktem Gewebe kann die Plattform dazu beitragen, eine Brücke zwischen mechanistischer Neurowissenschaft und Biomarkerforschung zu schlagen, und sie bietet eine praktische Grundlage für „Brain-on-a-Chip“-Systeme, die neuronale, immunologische und vaskuläre Dynamiken integrieren.

Steiner & Humpel, J. Neurosci. Methods, 2023, Abb. 1. Herstellung und Charakterisierung von Polydimethylsiloxan (PDMS)-Stempeln

Dieser Artikel basiert auf Veröffentlichungen der Gruppe von Professor Christian Humpel:

1. Microcontact Printing of Cholinergic Neurons in Organotypic Brain Slices. Frontiers in Neurology (2021). DOI: 10.3389/fneur.2021.775621.
2. Long‑term live‑cell imaging of GFAP+ astroglia and laminin+ vessels in organotypic mouse brain slices using microcontact printing. Frontiers in Cellular Neuroscience (2025). DOI: 10.3389/fncel.2025.1540150.
3. Novel Plasma Biomarkers for Alzheimer’s Disease: Insights from Organotypic Brain Slice and Microcontact Printing Techniques. Frontiers in Bioscience‑Landmark (FBL) (2025). DOI: 10.31083/FBL36257.
4. Long‑term organotypic brain slices cultured on collagen‑based microcontact prints: A perspective for a brain‑on‑a‑chip. Journal of Neuroscience Methods 399 (2023) 109979. DOI: 10.1016/j.jneumeth.2023.109979.
5. From Organotypic Mouse Brain Slices to Human Alzheimer Plasma Biomarkers: A Focus on Microglia. Biomolecules 14(9):1109 (2024). DOI: 10.3390/biom14091109.
6. Organotypic mouse brain slices: low-cost „ring-inserts“ to study cholinergic and dopaminergic neurons with live cell imaging with an emphasis on calcium imaging.  Biofunctional Materials 2025(2):0011. DOI: 10.55092/bm20250011.