Микротрубки создают уютное пространство для быстрого роста нейронов

Крошечные тонкие микротрубки могут служить каркасом для роста нейронных культур, позволяя исследователям изучать нейронные сети, их рост и восстановление. Это дает представление о лечении дегенеративных неврологических заболеваний или восстановлении нервных связей после травмы.

Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и Университета Висконсин-Мэдисон создали платформу на основе микротрубок для изучения роста нейронов. Они предполагают, что в будущем такие микротрубки можно будет имплантировать, как стенты, для стимуляции регенерации нейронов в местах повреждений или для лечения болезней.

«Это мощная трехмерная платформа для культивирования нейронов», — сказала Сюлин Ли, профессор электротехники и вычислительной техники Университета Иллинойса, соавтор исследования. — «Мы можем направлять, ускорять и измерять процесс роста нейронов одновременно».

Результаты опубликованы в журнале ACS Nano.

«Существует множество заболеваний, механизмы которых очень сложно изучить в организме, поэтому люди выращивают культуры на платформах, чтобы наблюдать динамику под микроскопом», — пояснил аспирант Пол Фроетер, первый автор статьи. — «Если мы увидим, что происходит, мы, надеюсь, сможем определить причину нарушения, найти способ его исправить, а впоследствии интегрировать это решение в организм».

Главная проблема при культивировании нейронов для исследований — сложность воссоздания уютной, мягкой, трехмерной среды мозга. Другие техники использовали стеклянные пластины или каналы в твердых материалах, но нервные клетки в них выглядят и ведут себя иначе, чем в организме. Микротрубки обеспечивают трехмерный, податливый каркас, подобный внеклеточному матриксу в теле.

Команда использует массивы микротрубок, созданных по технологии, разработанной в лаборатории Ли для электроники (например, 3D-индукторов). Очень тонкие мембраны из нитрида кремния (Si₃N₄) самостоятельно сворачиваются в трубки заданных размеров. Трубки примерно такой же ширины, как клетки, длиной с ширину человеческого волоса и расположены на расстоянии, примерно равном их длине. Нейроны растут вдоль и через микротрубки, протягивая «исследовательские» отростки через промежутки к следующей трубке.

Фроетер разработал способ крепления микротрубок на стандартных для биологических культур стеклянных предметных стеклах. Тонкие трубки из нитрида кремния прозрачны, что позволяет исследователям наблюдать за живыми нейронами в процессе роста с помощью обычного микроскопа.

«Возможность видеть сквозь трубку и подложку оказалась очень информативной», — сказал Джастин Уильямс, профессор биомедицинской инженерии UW-Madison. — «Без этого мы могли бы заметить общее увеличение скорости роста, но никогда не увидели бы драматических изменений, происходящих, когда клетки переходят с плоских участков ко входам в трубки».

Микротрубки не только обеспечивают структуру для нейронной сети, направляя соединения, но и ускоряют рост нервных клеток. Время критически важно для восстановления разорванных связей при травме спинного мозга или реплантации конечности.

Благодаря своей тонкости, микротрубки достаточно гибки, чтобы обвивать клетки, не повреждая и не сплющивая их. Исследователи обнаружили, что аксоны — длинные отростки нервных клеток для установления связей — растут внутри микротрубок, как в оболочке, и со скоростью до 20 раз выше, чем при росте через промежутки между трубками.

«Неудивительно, что аксонам нравится расти внутри трубок», — сказал Уильямс. — «Это именно те типы пространств, где они растут in vivo. По-настоящему удивительной была скорость их роста. Теперь у нас есть мощный инструмент для исследований, чтобы оптимизировать структуру и геометрию трубок».

Размеры массивов микротрубок можно настраивать под любые нужды, поскольку размеры нервных клеток сильно варьируются — от мелких клеток мозга до крупных нервов, управляющих мышцами. Ли и Фроетер уже отправили массивы микротрубок различных размеров другим исследовательским группам, изучающим нейронные сети для разных приложений.

Для группы Ли следующим шагом станет размещение электродов внутри микротрубок, чтобы измерять электрические сигналы, проводимые нервами.

«Если мы поместим электроды внутрь трубки, они будут в прямом контакте с аксоном, и мы сможем изучать проведение сигнала гораздо лучше, чем обычными методами», — сказала Ли.

Они также работают над созданием многослойных структур из микротрубок, чтобы пучки нервов могли расти в трехмерной сети.

«Если мы сможем выращивать вместе пучки нейронов, мы сможем смоделировать то, что происходит вдоль позвоночника или идет к конечностям», — сказал Фроетер. — «Затем мы можем взять зрелые культуры, повредить их, ввести микротрубки и посмотреть, как они восстанавливаются».

«Путь до клиники займет много времени, но именно это нас и мотивирует», — сказала Ли.