Mikrorør skaber hyggeligt rum for neuroner til at vokse, og vokse hurtigt

Lille bitte, tynde mikrorør kunne give et stillads for neuronkulturer til at vokse, så forskere kan studere neurale netværk, deres vækst og reparation, giver indsigt i behandling af degenerative neurologiske tilstande eller genoprettelse af nerveforbindelser efter skade.

Forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign og University of Wisconsin-Madison skabte mikrorørplatformen til at studere neuronvækst. De hævder, at mikrorørene en dag kunne implanteres som stents for at fremme neuron genvækst på skadesteder eller til behandling af sygdom.

"Dette er en kraftfuld tredimensionel platform for neuronkultur, "sagde Xiuling Li, U. af I. professor i elektroteknik og computerteknik, der ledede undersøgelsen sammen med UW-Madison-professor Justin Williams. "Vi kan vejlede, accelerere og måle processen med neuronvækst, alt på en gang."

Holdet offentliggjorde resultaterne i tidsskriftet ACS Nano .

"Der er mange sygdomme, der er meget vanskelige at finde ud af mekanismerne i i kroppen, så folk dyrker kulturer på platforme, så vi kan se dynamikken under et mikroskop, "sagde U. af I. kandidatstuderende Paul Froeter, undersøgelsens første forfatter. "Hvis vi kan se, hvad der sker, forhåbentlig kan vi finde ud af årsagen til manglen og afhjælpe den, og senere integrere det i kroppen. "

Den største udfordring for forskere, der forsøger at dyrke neuroner til undersøgelse, er, at det er meget svært at genskabe den hyggelige, blød, hjernens tredimensionelle miljø. Andre teknikker har brugt glasplader eller kanaler udskåret i hårde plader af materiale, men nervecellerne ser og opfører sig anderledes, end de ville i kroppen. Mikrorørene giver en tredimensionel, behageligt stillads, den måde, den cellulære matrix gør i kroppen.

Teamet bruger en række mikrorør, lavet med en teknik, der var banebrydende i Li's laboratorium til elektronikapplikationer såsom 3D-induktorer. Meget tynde membraner af siliciumnitrid ruller sig op i rør med præcise dimensioner. Rørene er omtrent lige så brede som cellerne, så længe et menneskehår er bredt, og adskilt fra hinanden, så langt de er lange. Neuronerne vokser langs og gennem mikrorørene, sender undersøgelsesarme ud over hullerne for at finde det næste rør.

Froeter udtænkte en måde at montere mikrorørene på glasskred, standarden for biologiske kulturer. De tynde siliciumnitridrør er gennemsigtige, så forskere kan se de levende neuronceller, når de vokser ved hjælp af et konventionelt mikroskop.

"At have evnen til at se gennem både røret og det underliggende substrat har været virkelig oplysende, "sagde Williams, professor i biomedicinsk teknik ved UW-Madison. "Uden dette har vi muligvis bemærket en samlet stigning i vækstraterne, men vi ville aldrig have observeret de dramatiske ændringer, der sker, når cellerne overgår fra de flade områder til rørindløbene. "

Mikrorørene giver ikke kun struktur til det neurale netværk, vejledende forbindelser, men også fremskynde nervecellernes vækst - og tid er afgørende for at genoprette afbrudte forbindelser i tilfælde af rygmarvsskade eller genmontering af lemmer.

Fordi de er så tynde, mikrorørene er fleksible nok til at vikle rundt om cellerne uden at beskadige eller flade dem. Forskerne fandt ud af, at axonerne, de lange grene nervecellerne sender ud for at oprette forbindelser, vokse gennem mikrorørene som en kappe - og med op til 20 gange hastigheden ved at vokse hen over hullerne.

"Det er ikke overraskende, at axonerne kan lide at vokse inden i rørene, "Sagde Williams." Det er præcis de typer rum, hvor de vokser in vivo. Det, der virkelig var overraskende, var, hvor meget hurtigere de voksede. Dette giver os nu et kraftfuldt undersøgelsesværktøj, da vi søger at optimere rørstruktur og geometri yderligere. "

Mikrorørarraysne kan indstilles til alle nødvendige dimensioner, da nerveceller varierer meget i størrelse fra små hjerneceller til store muskelkontrollerende nerver. Li og Froeter har allerede sendt mikrorørarrays af forskellige dimensioner til andre forskningsgrupper, der studerer neurale netværk til forskellige applikationer.

For Li's gruppe, det næste trin er at sætte elektroder i mikrorørene, så forskere kan måle de elektriske signaler, som nerverne leder.

"Hvis vi placerer elektroder inde i røret, da de er i direkte kontakt med axonen, vi vil være i stand til at studere signalledning meget bedre end konventionelle metoder, "Sagde Li.

De arbejder også på at stable mikrorørene i flere lag, så bundter af nerver kan vokse i et 3D-netværk.

"Hvis vi kan vokse linjer af neuroner sammen i et bundt, vi kunne simulere, hvad der går ned af din ryg eller går til dine lemmer, "Sagde Froeter." Så kan vi tage modne kulturer og afskære dem, introducer derefter mikrorørene og se, hvordan de vokser igen. "

"At komme til klinikken vil tage lang tid, men det er det, der holder os motiverede, "Sagde Li.