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Science子刊:新型芯片复制神经肌肉接头有助于为神经肌病测试药物

来源:生物谷/渐冻人尘雾 2016-08-09 13:37

2016年8月9日 讯 /生物谷BIOON/ --麻省理工学院(MIT)工程师们开发出一种复制神经肌肉接头(神经和肌肉之间至关重要的连接)的微流控设备(microfluidic device)。该设备约有25美分硬币大小,包含单个肌条和一小组运动神经元。研究人员能够在逼真(现实)的三维基质中影响和观察两者之间的相互作用。

研究人员对该设备中的神经元进行基因改造,使其对光照做出反应。通过将光照之间投射到(这些)神经元上,他们能够精确刺激这些细胞,发送信号激发肌肉纤维。研究人员还测量了设备内肌肉在被激发后抽搐或收缩的力量。

该研究结果2016年8月3日在线发表于《Science Advances》期刊,可能帮助科学家们理解并识别药物以治疗肌萎缩侧索硬化(ALS,即卢伽雷氏症)和其他神经肌肉相关疾病。

“神经肌肉接头涉及许多失能性疾病,其中有些是残酷而致命的,还有很多尚未被发现”领导该研究的MIT机械工程系研究生Sebastien Uzel说,“我们希望能够在体外形成神经肌肉接头,从而帮助我们理解某些疾病活动”。Sebastien Uzel现在是哈佛大学Wyss研究所博士后。

自1970年代以来,科学家们已经提出了大量方法在实验室中模拟神经肌肉接头。大部分这些实验涉及在培养皿或小玻璃基板上生长肌肉和神经细胞。但这样的环境与(动物)体内状态相去甚远,在动物体内,肌肉和神经细胞存活于复杂的三维环境中,并且通常距离较远。

“想想长颈鹿”Uzel说,“脊髓神经元所发出的轴突需要跨越非常大的距离才能与腿部肌肉连接。”

为了在体外重建更逼真的神经肌肉接头,Uzel和同事们构造了一种微流控设备,该设备具有两个重要特性:1. 三维环境;2. 隔离肌肉和神经的隔间,从而模拟两者在人体内的自然分离状态。研究人员将肌肉和神经元细胞悬浮于隔间中,然后充满凝胶以模拟三维环境。

为了生长肌肉纤维,研究团队使用了获得自小鼠的肌肉前体细胞,随后将其分化成肌肉细胞。他们将细胞注入微流控隔间,细胞会在隔间内生长并融合形成单个肌条。同样的,他们从干细胞分化出运动神经元,然后将所获得的神经细胞聚合体放置在第二个隔间中。在分化两种细胞之前,研究人员使用光遗传学(optogenetics)技术对神经细胞进行了基因改造。

该研究共同作者、MIT机械和生物工程Cecil and Ida Green特聘教授Roger Kamm说:光“能够让你精确控制你想要激活的细胞”。在这样的狭小空间里,电极无法实现这一点。

最后,研究人员为该设备添加了另一个特性:力传感。为了测量肌肉收缩,他们在肌肉细胞隔间内构造了两个微小的弹性支柱,位于肌肉纤维周围并能够被生长的肌肉纤维所包裹。随着肌肉收缩,支柱会被挤压在一起,形成位移,研究人员能够测量这些位移并转换为机械力。

在测试该设备的实验中,Uzel和同事们首次观察到神经元在三维区域内向肌肉纤维伸展轴突。在观察到轴突建立连接时,他们用微小的蓝光激射刺激神经元,并立即观察到肌肉收缩。

“发射闪光,就能观察到抽搐”Kamm说道。

根据这些实验,Kamm说,这种微流控设备可能作为神经肌病药物测试卓有成效的试验场,甚至可以根据个体患者进行定制。

“你可能从ALS患者获得多能细胞,将它们分化成肌肉和神经细胞,并且为特定患者制造整个系统”Kamm说,“然后你能够根据需要多次复制,同时测试不同的药物或疗法的组合,查看哪种疗法能够最有效地改善神经和肌肉之间的连接。”

另一方面,他说,该设备在“建模操作协议(modeling exercise protocols)”中可能是有用的。例如,通过以不同的频率刺激肌肉纤维,科学家们能够研究重复压力如何影响肌肉的性能。

“现在,随着所有这些新型微流控方法的开发,你能够开始建立神经元和肌肉的更复杂的模型”Kamm说,“神经肌肉接头是另一个现在可以被纳入测试模式的单位”。(生物谷Bioon.com)

DOI: 10.1126/sciadv.1501429

http://advances.sciencemag.org/content/2/8/e1501429

Microfluidic device for the formation of optically excitable, three-dimensional, compartmentalized motor units

Motor units are the fundamental elements responsible for muscle movement. They are formed by lower motor neurons and their muscle targets, synapsed via neuromuscular junctions (NMJs). The loss of NMJs in neurodegenerative disorders (such as amyotrophic lateral sclerosis or spinal muscle atrophy) or as a result of traumatic injuries affects millions of lives each year. Developing in vitro assays that closely recapitulate the physiology of neuromuscular tissues is crucial to understand the formation and maturation of NMJs, as well as to help unravel the mechanisms leading to their degeneration and repair. We present a microfluidic platform designed to coculture myoblast-derived muscle strips and motor neurons differentiated from mouse embryonic stem cells (ESCs) within a three-dimensional (3D) hydrogel. The device geometry mimics the spinal cord–limb physical separation by compartmentalizing the two cell types, which also facilitates the observation of 3D neurite outgrowth and remote muscle innervation. Moreover, the use of compliant pillars as anchors for muscle strips provides a quantitative functional readout of force generation. Finally, photosensitizing the ESC provides a pool of source cells that can be differentiated into optically excitable motor neurons, allowing for spatiodynamic, versatile, and noninvasive in vitro control of the motor units.

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