Inżynierowie z MIT opracowali urządzenie mikrostrumieniowe odtwarzające płytkę nerwowo-mięśniową, czyli miejsce gdzie mięsień styka się z nerwem. Urządzenie wielkości 25-centówki (średnica około 25 mm)  zawiera pojedyncze włókno mięśniowe oraz mały zestaw nerwów ruchowych. Badacze mogą obserwować interakcje pomiędzy jednym a drugim w realistycznej, trójwymiarowej matrycy. Mogą też na te interakcje wpływać.

Badacze genetycznie zmodyfikowali neurony w urządzeniu, aby reagowały na światło. Świecąc bezpośrednio w neurony są w stanie je pobudzać, a te z kolei pobudzają włókno mięśniowe. Naukowcy zmierzyli także siłę generowaną przez urządzenie podczas skurczu mięśnia.



Badacze stworzyli urządzenie mikrostrumieniowe z dwoma ważnymi cechami: środowiskiem trójwymiarowym oraz przedziałem oddzielającym mięśnie od nerwów odtwarzającym ich naturalne rozdzielenie w ludzkim organizmie. Zawiesili komórki mięśniowe i nerwowe w hydrożelu i wstrzyknęli je do przedziałów wielkości milimetra (cienkie kanały w kolorze niebieskim), po czym z każdej strony neuronu/ mięśnia dostarczyli pożywkę (duże kanały w kolorze niebieskim) , aby naśladować  środowisko trójwymiarowe. (Zdjęcie: Sebastien Uzel)

Wyniki opublikowane dzisiaj online w Science Advances mogą pomóc naukowcom w zrozumieniu i znalezieniu leków na stwardnienie zanikowe boczne (ALS), potocznie znane jako choroba Lou Gehriga, oraz inne zaburzenia nerwowo-mięśniowe.

– Płytka nerwowo-mięśniowa związana jest z wieloma ciężkimi i często śmiertelnymi zaburzeniami, o których musimy się jeszcze wiele dowiedzieć – twierdzi Sebastien Uzel, który prowadził prace badawcze jako doktorant na Wydziale Mechanicznym MIT. – Mamy nadzieję, że możliwość stworzenia płytki nerwowo-mięśniowej in vitro pomoże w zrozumieniu niektórych chorób.

Współautorami pracy są Roger Kamm, profesor inżynierii mechanicznej i biologicznej w MIT, były doktorant a obecnie stażysta podoktorski Randall Platt, pracownik badawczy Vidya Subramanian, była studentka i pracownik badawczy Taylor Pearl, starszy stażysta podoktorski Christopher Rowlands, były stażysta podoktorski Vincent Chan, profesor zwykły biologii Laurie Boyer, oraz profesor inżynierii mechanicznej i biologicznej Peter So.

Zbliżając się do celu

Od lat siedemdziesiątych XX wieku naukowcy proponowali różne metody imitowania płytki nerwowo-mięśniowej w laboratorium. Większość tych eksperymentów polegała na wyhodowaniu komórek mięśniowych i nerwowych na płytkach Petriego lub niewielkich szklanych podłożach. Lecz takie środowisko w niczym nie przypomina organizmu, gdzie mięśnie i neurony żyją w złożonych, trójwymiarowych środowiskach, często daleko od siebie.

– Weźmy żyrafę – mówi Uzel, teraz  stażysta podoktorski w Wyss Institute na Harwardzie.  – Neurony żyjące w rdzeniu kręgowym wysyłają aksony na bardzo duże odległości, aby połączyć się z mięśniami nogi.
Aby odtworzyć płytki  nerwowo-mięśniowe w środowisku in vitro bardziej realistycznie Uzel i koledzy stworzyli urządzenie mikrostrumieniowe z dwoma ważnymi cechami: środowiskiem trójwymiarowym oraz przedziałem oddzielającym mięśnie od nerwów odtwarzającym ich naturalne rozdzielenie w ludzkim organizmie. Zawiesili komórki mięśniowe i nerwowe w przedziałach wielkości milimetra, które następnie napełnili żelem, aby naśladować środowisko trójwymiarowe.

Światło i skurcz

Aby wyhodować włókno mięśniowe zespół wykorzystał komórki prekursorowe z myszy, które następnie zróżnicowano w komórki mięśniowe. Naukowcy wstrzyknęli komórki do przedziału mikrostrumieniowego, gdzie urosły tworząc pojedyncze włókno mięśniowe.  W podobny sposób zróżnicowali nerwy ruchowe z grupy komórek macierzystych  i umieścili je w drugim przedziale. Przed rozróżnieniem obu typów komórek badacze genetycznie zmodyfikowali komórki nerwowe, aby reagowały na światło stosując w tym celu technikę zwaną optogenetyką.




Nowe urządzenie mikrostrumieniowe odtwarzające płytkę nerwowo-mięśniową zawiera niewielką grupę neuronów (kolor zielony) oraz pojedyncze włókno mięśniowe (kolor czerwony). Obraz fluorescencyjny poniżej pokazuje nerwy ruchowe wysyłające aksony w kierunku włókna mięśniowego na odległość około 1 mm. (Obraz: Sebastien Uzel)


Kamm mówi że światło „umożliwia dokładny wybór komórek, które chcemy  pobudzić”, w przeciwieństwie do stosowania elektrod, które w niewielkiej przestrzeni nieumyślnie pobudzają komórki inne niż docelowe.
Na koniec badacze dodali jeszcze jedną cechę: wyczuwanie siły. Aby zmierzyć skurcz mięśnia wykonali w przedziale mięśni dwie niewielkie elastyczne kolumienki, dookoła których włókno mięśniowe mogło się owinąć. Kiedy nastąpił skurcz mięśnia kolumienki zbliżyły się do siebie, a badacze byli w stanie zmierzyć ich przesunięcie i przeliczyć to na siłę mechaniczną.

W eksperymentach testujących urządzenie Uzel i koledzy najpierw obserwowali neurony wysuwające aksony w kierunku włókna mięśniowego w trójwymiarowym regionie. Kiedy zauważyli, że akson zetknął się z mięśniem pobudzali neuron krótkim błyskiem niebieskiego światła i natychmiast następował skurcz mięśnia.
– Błyśniesz światłem i masz skurcz – mówi Kamm.

Kamm uważa, że wyniki eksperymentów potwierdzają, że urządzenie mikrostrumieniowe może służyć do testowania leków na zaburzenia nerwowo-mięśniowe i może nawet zostać dostosowane do indywidualnych pacjentów.

Źródło: http://www.nanowerk.com/news2/biotech/newsid=44141.php