Исследователи генетически модифицировали нейроны устройства, чтобы они реагировали на свет. Посылая свет непосредственно на нейроны, они могут точно стимулировать эти клетки, которые, в свою очередь, посылают сигналы для возбуждения мышечных волокон. Исследователи также измерили силу, с которой мышцы внутри устройства подергиваются или сокращаются в ответ.Результаты команды, опубликованные сегодня в журнале Science Advances, могут помочь ученым понять и определить лекарства для лечения бокового амиотрофического склероза (БАС), более известного как болезнь Лу Герига, а также других нервно-мышечных состояний.
«Нервно-мышечный узел вовлечен во множество очень недееспособных, иногда жестоких и фатальных заболеваний, для которых многое еще предстоит обнаружить», — говорит Себастьен Узель, который руководил работой в качестве аспиранта на факультете машиностроения Массачусетского технологического института. «Есть надежда, что способность формировать нервно-мышечные соединения in vitro поможет нам понять, как функционируют определенные заболевания».Среди соавторов Узела — Роджер Камм, заслуженный профессор механической и биологической инженерии Массачусетского технологического института им. Сесила и Иды Грин, а также бывший аспирант и ныне постдок Рэндалл Платт, научный сотрудник Видия Субраманиан, бывший студент-исследователь Тейлор Перл, старший постдок Кристофер Роулендс, бывший постдоктор.
Винсент Чан, доцент биологии Лори Бойер и профессор машиностроения и биологической инженерии Питер Со.Встреча с контрагентомС 1970-х годов исследователи придумали множество способов моделирования нервно-мышечного соединения в лаборатории. Большинство этих экспериментов связано с выращиванием мышечных и нервных клеток в неглубоких чашках Петри или на небольших стеклянных подложках.
Но такая среда очень далека от тела, где мышцы и нейроны живут в сложной трехмерной среде, часто разделенной на большие расстояния.«Подумайте о жирафе», — говорит Узель, который сейчас работает постдоком в Институте Висса при Гарвардском университете. «Нейроны, которые живут в спинном мозге, посылают аксоны на очень большие расстояния, чтобы соединиться с мышцами ног».Чтобы воссоздать более реалистичные нейромышечные соединения in vitro, Узел и его коллеги создали микрожидкостное устройство с двумя важными функциями: трехмерной средой и отделениями, которые отделяют мышцы от нервов, чтобы имитировать их естественное разделение в человеческом теле. Исследователи подвесили мышечные и нейронные клетки в отсеках миллиметрового размера, которые затем заполнили гелем, чтобы имитировать трехмерную среду.
Вспышка и подергиваниеЧтобы вырастить мышечное волокно, команда использовала клетки-предшественники мышц, полученные от мышей, которые затем дифференцировались в мышечные клетки.
Они вводили клетки в микрофлюидный отсек, где клетки росли и сливались, образуя единую мышечную полоску. Точно так же они дифференцировали мотонейроны из кластера стволовых клеток и поместили полученную совокупность нервных клеток во второй отсек. Прежде чем дифференцировать оба типа клеток, исследователи генетически модифицировали нервные клетки, чтобы они реагировали на свет, используя теперь уже распространенный метод, известный как оптогенетика.Камм говорит, что свет «дает вам точный контроль над тем, какие клетки вы хотите активировать», в отличие от использования электродов, которые в таком ограниченном пространстве могут непреднамеренно стимулировать клетки, отличные от нервных клеток-мишеней.
Наконец, исследователи добавили в устройство еще одну функцию: определение силы. Чтобы измерить сокращение мышц, они изготовили две крошечные гибкие колонны в отсеке мышечных клеток, вокруг которых могло оборачиваться растущее мышечное волокно. Когда мышца сокращается, столбы сжимаются, создавая смещение, которое исследователи могут измерить и преобразовать в механическую силу.
В экспериментах по тестированию устройства Узел и его коллеги впервые наблюдали нейроны, тянущие аксоны к мышечным волокнам в трехмерной области. Как только они заметили, что аксон установил соединение, они стимулировали нейрон крошечной вспышкой синего света и мгновенно наблюдали сокращение мышц.
«Вы мигаете светом, у вас подергивание», — говорит Камм.Судя по этим экспериментам, Камм говорит, что микрофлюидное устройство может служить плодотворной площадкой для тестирования лекарств для лечения нервно-мышечных расстройств и даже может быть адаптировано для отдельных пациентов.
«Вы можете потенциально взять плюрипотентные клетки у пациента с БАС, дифференцировать их на мышечные и нервные клетки и создать целую систему для этого конкретного пациента», — говорит Камм. «Затем вы можете повторить это столько раз, сколько захотите, и попробовать разные лекарства или комбинации методов лечения, чтобы увидеть, какие из них наиболее эффективны для улучшения связи между нервами и мышцами».С другой стороны, он говорит, что устройство может быть полезно при «моделировании протоколов упражнений». Например, стимулируя мышечные волокна с различной частотой, ученые могут изучить, как повторяющийся стресс влияет на работу мышц.«Теперь, когда люди разрабатывают все эти новые микрофлюидные подходы, вы можете начать моделировать более сложные системы с нейронами и мышцами», — говорит Камм. «Нервно-мышечный узел — это еще одна единица, которую люди теперь могут включить в эти методы тестирования».
Это исследование частично финансировалось Национальным научным фондом.