Kulstof nanorør sænker nerveskadende klorid i celler

Et nanomateriale udviklet af forskere ved Duke kan hjælpe med at regulere kloridniveauer i nerveceller, der bidrager til kronisk smerte, epilepsi, og traumatisk hjerneskade.

Fundene, offentliggjort online 10. december, 2012, i journalen Lille , blev påvist i individuelle nerveceller såvel som i mus og rotters hjerner, og kan have fremtidige applikationer i intrakranielle eller rygmarvsudstyr til at behandle neurale skader.

Carbon nanorør er et nanomateriale med unikke egenskaber, herunder mekanisk styrke og elektrisk ledningsevne. Disse egenskaber, sammen med deres lille størrelse, gøre dem tiltalende for forskere inden for teknologi og medicin.

I en verden af ​​krympende computere og smartphones, kulstof nanorør er blevet tappet som en løsning til at forbedre mikrochips. De overgår silicium mikrochips i størrelse og ydeevne, imødekomme efterspørgslen efter mindre, hurtigere enheder. For personer med nerveskade og visse neurologiske lidelser, enheder belagt med eller udelukkende lavet af kulstof nanorør kunne tilbyde en ny vej til at forbedre behandlingsmulighederne.

"Carbon nanorør giver et stort løfte om en række applikationer, og vi er kun begyndt at se deres enorme potentiale, "sagde hovedforfatter Wolfgang Liedtke, M.D., PhD, lektor i medicin og neurobiologi ved Duke. "Deres usædvanlige mekaniske og elektriske egenskaber gør dem ideelle til at udvikle enheder, der har forbindelse til nervevæv. Men de præcise mekanismer bag kulstof nanorør og deres effekt på neuroner forbliver uhåndgribelige."

Ikke alle kulstof nanorør er ens. Jie Liu, PhD, George Barth Geller professor i kemi ved Duke University og seniorforfatter af undersøgelsen, udviklet specifikke kulstof nanorør, der er ekstraordinært rene. Kaldes fåvæggede kulstof nanorør, de har bedre egenskaber i forhold til deres kommercielt tilgængelige modparter.

Duke-forskere satte sig oprindeligt for at måle, om kulstofnanorør havde giftige eller negative virkninger på levende væv. Studerer neuroner dyrket fra gnavere, repræsenterer en "hjernebark i en skål, " de fandt det modsatte. At udsætte cellerne for kulstof nanorør så ud til at have en nærende effekt på neuronerne, gør dem større og stærkere.

"Tidligere undersøgelser har set på kulstofnanorørs adfærd på neuroner. urenheden i nanorørene påvirkede resultaterne markant. Efter at vi udviklede rene fåvæggede carbon nanorør i vores laboratorium, vi opdagede, at nanorør faktisk fremskyndede væksten af ​​neuroncellerne betydeligt, " sagde Liu.

Neurale kredsløb kan blive ødelagt af forhøjet klorid i neuroner. En række sygdomme involverer sådanne neurale kredsløbsskader, herunder kroniske smerter, epilepsi, og traumatisk hjerneskade.

Lave niveauer af klorid i neuroner opretholdes af et kloridtransporterprotein kaldet KCC2, som fungerer ved at kværne chloridioner ud af cellen. I modne neuroner, der er ingen backup til denne funktion.

De umodne neuroner dyrket i Liedtkes laboratorium havde høje niveauer af klorid, men da cellerne modnet, deres chloridniveauer faldt, da KCC2 steg. Da neuronerne blev udsat for kulstofnanorør, cellerne modnet meget hurtigere, og chloridniveauerne faldt hurtigere. Forskere erfarede, at yngre celler udsat for kulstofnanorør producerede mere KCC2-protein.

"Carbon nanorør forbedrede reguleringen af ​​chlorid i neuroner til normale niveauer. Disse ændringer er af enorm betydning for cellen, sagde Liedtke.

Stigningen i KCC2-protein var også forbundet med en stigning i calcium i neuronerne. De øgede calciumniveauer aktiverede et protein fundet i hjernen kaldet CaMKII, som signalerer en neuron til at lave mere KCC2.

Lignende resultater blev observeret i musehjerner, da kulstofnanorørene foranledigede en stigning i aktiviteten af ​​KCC2-genet, tyder på, at de fåvæggede kulstofnanorør påvirker genregulering af KCC2.

Disse resultater kan føre til udviklingen af ​​en ny generation af neurale ingeniørenheder, der bruger kulstof nanorør. Eksisterende enheder, der modulerer nervecellernes funktion, bruger elektriske systemer, der går flere årtier tilbage.

"Vi håber, at kulstof nanorør vil fungere lige så godt i skadede nerver, som de gjorde i vores undersøgelse af at udvikle neuroner, "Liedtke fortsatte." Brugen af ​​carbon nanorør er lige i sin begyndelse, og vi er glade for at være en del af et udviklingsfelt med så meget potentiale."