Новый микрофлюидный чип имитирует нервно-мышечное соединение
Новый чип поможет тестировать препараты от бокового амиотрофического склероза и других нервно-мышечных нарушений.
Дата: 3 августа 2016
Источник: Массачусетский технологический институт
Инженеры разработали микрофлюидное устройство, которое имитирует нервно-мышечное соединение — важнейшую точку, в которой нерв соединяется с мышцей. Устройство размером с американскую монету в 25 центов содержит одну полосу мышечной ткани и несколько моторных нейронов. Исследователи могут воздействовать на их взаимодействие и наблюдать за ним на реалистичной трехмерной модели.
Новое микрофлюидное устройство, которое имитирует нервно-мышечное соединение — важнейшую точку, в которой нерв соединяется с мышцей — содержит небольшую группу нейронов (отмечено зеленым) и одну полосу мышечной ткани (отмечено красным). Флюоресцентное изображение показывает, как моторные нейроны посылают аксоны к полосе мышечной ткани на расстояние в около 1 миллиметра.
Автор: Себастьян Юзель (перевод Елены Сергеевой)
Инженеры Массачусетского технологического института разработали микрофлюидное устройство, которое имитирует нервно-мышечное соединение — важнейшую точку, в которой нерв соединяется с мышцей. Устройство размером с американскую монету в 25 центов содержит одну полосу мышечной ткани и несколько моторных нейронов. Исследователи могут воздействовать на их взаимодействие и наблюдать за ним на реалистичной трехмерной модели.
Исследователи генетически модифицировали нейроны в устройстве, чтобы они реагировали на свет. Направляя прямой свет на нейроны, они могут с точностью стимулировать эти клетки, которые в ответ посылают сигналы, возбуждающие мышечную ткань. Исследователи также измерили силу, которую прикладывает мышца внутри устройства, так как она дергается или сокращается в ответ.
Результаты исследовательской группы, опубликованной сегодня на сайте Science Advances, могут помочь ученым понять и определить, какими лекарствами лечить боковой амиотрофический склероз, более известный как болезнь Лу Герига, и остальные болезни, связанные с нервно-мышечной системой.
«Нервно-мышечное соединение участвует во многих выводящих из строя, порою жестоких и фатальных нарушениях, многое о которых еще предстоит узнать», — утверждает Себастьян Юзель, который руководил работой в качестве выпускника факультета машиностроения в Массачусетском технологическом институте. «Надежда на то, что возможность создавать нервно-мышечные соединения in vitro (в «пробирке», искуственно) поможет нам понять, как работают определенные болезни».
Среди соавторов Юзеля Роджер Камм, Сесиль и Ида Грин, заслуженный профессор машиностроения и биотехники в МИТ, а также выпускник и научный сотрудник Рандалл Платт, исследователь Видья Субмараньян, бывший студент-исследователь Тейлор Перл, старший научный сотрудник Кристофер Роуландс, бывший научный сотрудник Винсент Чан, адъюнкт-профессор биологии Лори Буае и профессор машиностроения и биотехники Питер Со.
Приближаясь к аналогу
C 1970-х гг. исследователи находили способы симулировать нервно-мышечное соединение в лаборатории. Большинство экспериментов включало выращивание мышечных и нейронных клеток в плоских чашках Петри или на небольших стеклянных субстратах. Но такие условия в корне отличаются от тела человека, где мышцы и нейроны живут в сложном, трехмерном пространстве, зачастую на довольно большом расстоянии друг от друга.
«Подумайте о жирафе», — говорит Юзель, который сейчас занимает должность научного сотрудника в институте Вусс Гарвардского университета. «Нейроны, живущие в спинном мозге, посылают аксоны через очень большие расстояния, чтобы они связались с мышцами ноги».
Чтобы воссоздать более реалистичные нервно-мышечные соединения in vitro, Юзель с коллегами изготовили микрофлюидное устройство с двумя важными особенностями: трехмерная среда и камера, разделяющая мышцы и нервы, чтобы имитировать их естественное разделение в человеческом теле. Исследователи зафиксировали мышечные и нейронные клетки в камерах размером в несколько миллиметров и наполнили их гелем, чтобы имитировать трехмерные условия.
Вспышка и судорога
Чтобы вырастить мышечное волокно, группа использовала мышечные прекурсоры, полученные от мышей, которые затем были преобразованы в клетки мышц. Они вводили клетки в микрофлюидную камеру, где клетки росли и объединялись, формируя единую полосу мышечной ткани. Похожим образом они отделили моторные нейроны от группы стволовых клеток и поместили полученное скопление нейронных клеток во вторую камеру. Перед тем, как разделить клетки обоих типов, исследователи модифицировали гены нервных клеток, заставив их реагировать на свет. Эта распространенная в наши дни техника называется оптогенетикой.
Как утверждает Камм, свет «позволяет точнейшим образом выбирать, какие клетки нужно активировать», в отличие от электродов, которые в подобном узком пространстве могут необратимо стимулировать не те нервные клетки, какие нужно.
В конце концов, исследователи добавили устройству еще одну функцию: измерение силы. Для измерения мышечных сокращений внутри камеры с мышечными клетками они поместили два крохотных гибких столбика, вокруг которых могла бы оборачиваться растущая мышечная ткань. Когда мышца сокращается, столбики сжимаются, создавая смещение, которое исследователи могут измерить и преобразовать в механическую силу.
В ходе экспериментальных проверок устройства Юзель и его коллеги сначала наблюдали за тем, как нейроны протягивают аксоны к мышечной ткани в трехмерном участке. Когда ученые заметили, что аксон создал связь, они стимулировали нейрон небольшой вспышкой голубого цвета, после чего сразу увидели сокращение мышцы.
«Включаешь свет и получаешь сокращение», — говорит Камм.
Основываясь на экспериментах, Камм утверждает, что микрофлюидное устройство может стать отличным средством для тестирования лекарств, направленных против нервно-мышечных нарушений и даже может быть настроено для конкретных пациентов.
«Теоретически можно взять полипотенциальные клетки у пациента с боковым амиотрофическим склерозом, преобразовать их в мышечные и нервные, а затем создать целую систему для этого конкретного пациента», — утверждает Камм. «Затем вы сможете воспроизводить ее столько раз, сколько потребуется, и тестировать разные лекарства или комбинации лечения, чтобы увидеть, какое будет наиболее эффективно улучшать соединение между нервами и мышцами».
C другой стороны, заявляет он, устройство может пригодиться для «моделирования протоколов упражнений». Например, стимулируя мышечную ткань с разной частотой, ученые могут изучать, как повторяющийся стресс влияет на работу мышц.
«Теперь благодаря новым микрофлюидным подходам, которые сейчас разрабатываются, можно моделировать более сложные системы из мышц и нейронов», — говорит Камм. «Нервно-мышечное соединение это еще одна единица, которую можно использовать в этих тестах».
Исследование финансировалось при участии Фонда Национальной Науки.
Источник:
Сообщение было перепечатано с материалов, предоставленных Массачусетским технологическим институтом. Автор оригинальной статьи: Дженнифер Чу. Примечание: Стиль и длина статьи могут быть изменены.
Список литературы:
- Себастьян Г. М. Юзель, Рандалл Й. Платт, Видья Субраманиан, Тейлор М. Пеарл, Кристофер Й. Роуландс, Винсент Чан, Лори А. Буае, Питер Т. Ц. Со и Роджер Д. Камм.Микрофлюидное устройство для формирования оптически возбужимых, трехмерных и камерных двигательных единиц. Science Advances, 2016 DOI: 1126/sciadv.1501429
Оригинал: https://www.sciencedaily.com/releases/2016/08/160803214902.htm