Neuronale ontwikkeling wordt vaak gereguleerd door de graduele verdeling van geleidingsmoleculen, die de neuronale migratie of neurietprojectie kan aantrekken of afstoten wanneer gepresenteerd in een formaat van concentratiegradiënten, of chemotaxis. Echter, veel details over het proces zijn grotendeels onontgonnen.

Een onderzoeksteam van de City University of Hong Kong (CityU) heeft dit probleem op een nauwkeurige en systematische manier aangepakt door een nieuw apparaat te ontwikkelen, en heeft onlangs hun bevindingen gepubliceerd in een onderzoeksartikel in het tijdschrift Natuurcommunicatie , getiteld "High-throughput driedimensionale chemotactische assays onthullen steilheidsafhankelijke complexiteit in neuronale sensatie tot moleculaire gradiënten."

Chemotaxis verwijst naar de beweging van een organisme als reactie op een chemische stimulus. Het is algemeen bekend dat de concentratiegradiënten van geleidingsmoleculen, zoals netrine of semaphorine (Sema) eiwitten, spelen een cruciale rol in de embryonale neurale ontwikkeling. Nog, hoe precies de fysieke profielen van moleculaire gradiënten, bijv. de veranderende snelheid van concentratieprofielen (gradiëntsteilheid), wisselwerking met neuronale ontwikkeling is lang een onbeantwoorde vraag gebleven. Een deel van de reden was het ontbreken van 3D-apparaten die belangrijke kenmerken van hersenweefsels buiten het menselijk lichaam kunnen recapituleren. Eerdere in vitro chemotactische testen zijn vaak 2-D, lage doorvoer (wat betekent dat het de experimenten vele malen handmatig moet herhalen om gegevens voor verschillende parameters te verzamelen) en geen fijne gradiëntcontrole heeft.

In antwoord, het CityU-team ontwikkelt een nieuw platform voor het uitvoeren van de chemotactische experimenten. Ze hebben een op hydrogel gebaseerd microfluïdisch platform ontwikkeld voor high-throughput 3D chemotactische testen, en gebruikte het om neuronale gevoeligheid te bestuderen voor de steilheid van de moleculaire gradiënt, licht werpen op het neurale regeneratiemechanisme door subtiele variatie in de gradiëntprofielen van geleidingsmoleculen te herkennen.

"Onze chip meet slechts 1 bij 3 cm ² , maar herbergt honderden hangende hydrogelcilinders op microschaal, elk met een duidelijk gradiëntprofiel om 3D-groei van neuronale cellen mogelijk te maken in een omgeving die sterk lijkt op die in onze hersenen, " zegt Dr. Shi Peng, Universitair hoofddocent bij de afdeling Biomedische Technologie (BME) van CityU, die het onderzoek leidde.

"Het grote voordeel van de opzet is de hoge doorvoer, wat betekent dat een grote verzameling moleculaire gradiëntprofielen parallel kan worden getest met behulp van een enkele chip om een ​​enorme hoeveelheid gegevens te genereren, en de experimenttijd kan worden teruggebracht van maanden tot 48 uur, " hij legt uit.

Met behulp van het nieuwe platform en rigoureuze statistische analyse, het team heeft een dramatische diversiteit en complexiteit onthuld in de chemotactische regulatie van neuronale ontwikkeling door verschillende begeleidingsmoleculen. Vooral, voor Sema3A, het team heeft ontdekt dat twee signaalroutes, namelijk STK11 en GSK3, zijn verschillend betrokken bij steilheidsafhankelijke chemotactische regulatie van gecoördineerde neurietafstoting en neuronale migratie.

Op basis van deze bevindingen, het team toonde verder aan dat het begeleidingsmolecuul, Sema3A, is alleen gunstig om cortexregeneratie te bevorderen als het in de juiste gradiëntvorm wordt gepresenteerd in een gewonde rattenhersenen, die werd gerapporteerd in een ander artikel in het tijdschrift Biomaterialen eerder dit jaar.

"In geval van hersenletsel, het zenuwstelsel regenereert niet gemakkelijk, dus correct gebruik van begeleidingsmoleculen zou de hersenen helpen herstellen. In dit verband, ons onderzoek geeft inzicht in de ontwikkeling van nieuwe therapeutische strategieën, ' concludeerde Dr. Shi.