Første mikroarrayed 3-D neuronal kultur platform udviklet

Neuronal udvikling er ofte reguleret af den graderede fordeling af vejledende molekyler, som enten kan tiltrække eller frastøde den neuronale migration eller neuritprojektion, når den præsenteres i et format af koncentrationsgradienter, eller kemotaksi. Imidlertid, mange detaljer om processen er stort set uudforskede.

Et forskerhold fra City University of Hong Kong (CityU) har taklet dette problem på en præcis og systematisk måde ved at udvikle en ny enhed, og har for nylig offentliggjort deres resultater i en forskningsartikel i tidsskriftet Naturkommunikation , med titlen "High-throughput tredimensionelle kemotaktiske assays afslører stejlhedsafhængig kompleksitet i neuronal sensation til molekylære gradienter."

Kemotaksi refererer til bevægelse af en organisme som reaktion på en kemisk stimulus. Det er velkendt, at koncentrationsgradienterne af styremolekyler, såsom netrin eller semaphorin (Sema) proteiner, spiller en afgørende rolle i embryonal neural udvikling. Endnu, præcis hvordan de fysiske profiler af molekylære gradienter, f.eks. den ændrede hastighed af koncentrationsprofiler (gradientstejlhed), samspil med neuronal udvikling har længe været et ubesvaret spørgsmål. En del af årsagen var manglen på 3-D-enheder, der kan rekapitulere vigtige funktioner i hjernevæv uden for den menneskelige krop. Tidligere in vitro kemotaktiske assays er ofte 2-D, lavt gennemløb (hvilket betyder, at det er nødvendigt at gentage eksperimenterne manuelt mange gange for at indsamle data for forskellige parametre) og mangler fin gradientkontrol.

Som svar, CityU-teamet udvikler en ny platform til at udføre de kemotaktiske eksperimenter. De har udviklet en hydrogel-baseret mikrofluidisk platform til high-throughput 3-D kemotaktiske assays, og brugte det til at studere neuronal følsomhed over for stejlheden af ​​molekylær gradient, kaste lys over neural regenereringsmekanisme ved at genkende subtil variation i gradientprofilerne af styringsmolekyler.

"Vores chip måler kun 1 gange 3 cm ² , men huser hundredvis af suspenderede hydrogelcylindre i mikroskala, hver indeholder en særskilt gradientprofil for at tillade 3D-vækst af neuronale celler i et miljø, der ligner det inde i vores hjerner, " siger Dr. Shi Peng, Lektor ved Institut for Biomedicinsk Teknik (BME) ved CityU, der ledede forskningen.

"Den største fordel ved opsætningen er den høje gennemstrømning, hvilket betyder, at en stor samling af molekylære gradientprofiler kan testes parallelt ved hjælp af en enkelt chip til at generere en enorm mængde data, og eksperimenttiden kan reduceres fra måneder til 48 timer, " forklarer han.

Ved at bruge den nye platform og strenge statistiske analyser, holdet har afsløret dramatisk mangfoldighed og kompleksitet i den kemotaktiske regulering af neuronal udvikling af forskellige vejledende molekyler. I særdeleshed, til Sema3A, holdet har fundet ud af, at to signalveje, nemlig STK11 og GSK3, er differentielt involveret i stejlhedsafhængig kemotaktisk regulering af koordineret neuritafvisning og neuronal migration.

Baseret på disse resultater, holdet demonstrerede yderligere, at vejledningsmolekylet, Sema3A, er kun gavnligt til at fremme cortex-regenerering, hvis det præsenteres i den rigtige gradientform i en skadet rottehjerne, som blev rapporteret i en anden artikel i tidsskriftet Biomaterialer tidligere i år.

"I tilfælde af hjerneskade, nervesystemet regenereres ikke let, så korrekt brug af vejledende molekyler ville hjælpe hjernen med at komme sig. I denne forbindelse vores forskning giver indsigt i udviklingen af ​​nye terapeutiske strategier, " konkluderede Dr. Shi.