Klein, dunne microbuisjes kunnen een basis vormen voor neuronculturen om te groeien, zodat onderzoekers neurale netwerken kunnen bestuderen, hun groei en herstel, inzicht geven in de behandeling van degeneratieve neurologische aandoeningen of het herstellen van zenuwverbindingen na letsel.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en de Universiteit van Wisconsin-Madison creëerden het microbuisjesplatform om de groei van neuronen te bestuderen. Ze stellen dat de microbuisjes ooit zouden kunnen worden geïmplanteerd als stents om de hergroei van neuronen op plaatsen van verwonding te bevorderen of om ziekten te behandelen.

"Dit is een krachtig driedimensionaal platform voor neuroncultuur, " zei Xiuling Li, U. of I. hoogleraar elektrische en computertechniek die samen met UW-Madison-professor Justin Williams de studie leidde. "Wij kunnen begeleiden, versnellen en meten van het proces van neurongroei, alles in een keer."

Het team publiceerde de resultaten in het tijdschrift ACS Nano .

"Er zijn veel ziekten waarvan het heel moeilijk is om de mechanismen in het lichaam te achterhalen, dus mensen kweken culturen op platforms zodat we de dynamiek onder een microscoop kunnen zien, " zei U. of I. afgestudeerde student Paul Froeter, de eerste auteur van de studie. "Als we kunnen zien wat er gebeurt, hopelijk kunnen we de oorzaak van het tekort achterhalen en verhelpen, en later integreren in het lichaam."

De grootste uitdaging voor onderzoekers die neuronen willen kweken voor studie, is dat het erg moeilijk is om de gezellige, zacht, driedimensionale omgeving van de hersenen. Andere technieken hebben gebruik gemaakt van glasplaten of kanalen die in harde platen materiaal zijn uitgehouwen, maar de zenuwcellen zien er anders uit en gedragen zich anders dan in het lichaam. De microbuisjes zorgen voor een driedimensionale, buigzame steiger, de manier waarop de celmatrix dat doet in het lichaam.

Het team gebruikt een reeks microbuisjes, gemaakt met een techniek die is ontwikkeld in Li's laboratorium voor elektronische toepassingen zoals 3D-inductoren. Zeer dunne membranen van siliciumnitride rollen zichzelf op tot buizen met precieze afmetingen. De buizen zijn ongeveer even breed als de cellen, zolang een mensenhaar breed is, en ongeveer zover als ze lang zijn uit elkaar geplaatst. De neuronen groeien langs en door de microbuisjes, verkenningsarmen over de gaten sturen om de volgende buis te vinden.

Froeter bedacht een manier om de microbuisjes op glasplaatjes te monteren, de standaard voor biologische culturen. De dunne buisjes van siliciumnitride zijn transparant, zodat onderzoekers de levende neuroncellen kunnen zien terwijl ze groeien met behulp van een conventionele microscoop.

"Het vermogen om door zowel de buis als het onderliggende substraat te kijken, was echt verhelderend, " zei Willems, een professor in biomedische technologie aan UW-Madison. "Zonder dit hadden we misschien een algemene stijging van de groeipercentages opgemerkt, maar we zouden nooit de dramatische veranderingen hebben waargenomen die optreden als de cellen overgaan van de vlakke gebieden naar de buisinlaten."

De microbuisjes geven niet alleen structuur aan het neurale netwerk, leidende verbindingen, maar ook de groei van de zenuwcellen versnellen - en tijd is cruciaal voor het herstellen van verbroken verbindingen in het geval van een dwarslaesie of herbevestiging van ledematen.

Omdat ze zo dun zijn, de microbuisjes zijn flexibel genoeg om rond de cellen te wikkelen zonder ze te beschadigen of plat te maken. De onderzoekers ontdekten dat de axonen, de lange takken die de zenuwcellen uitzenden om verbindingen te maken, groeien door de microbuisjes als een omhulsel - en met tot 20 keer de groeisnelheid over de openingen.

"Het is niet verwonderlijk dat de axonen graag in de buizen groeien, Williams zei. "Dit zijn precies de soorten ruimtes waar ze in vivo groeien. Wat echt verrassend was, was hoeveel sneller ze groeiden. Dit geeft ons nu een krachtig onderzoeksinstrument om de buisstructuur en geometrie verder te optimaliseren."

De microbuis-arrays kunnen worden afgestemd op elke gewenste afmeting, aangezien zenuwcellen sterk in grootte variëren, van kleine hersencellen tot grote spier-controlerende zenuwen. Li en Froeter hebben al microbuis-arrays van verschillende afmetingen naar andere onderzoeksgroepen gestuurd die neurale netwerken voor diverse toepassingen bestuderen.

Voor de groep van Li, de volgende stap is om elektroden in de microbuisjes te plaatsen, zodat onderzoekers de elektrische signalen kunnen meten die de zenuwen geleiden.

"Als we elektroden in de buis plaatsen, omdat ze direct in contact staan ​​met het axon, we zullen signaalgeleiding veel beter kunnen bestuderen dan conventionele methoden, ' zei Li.

Ze werken er ook aan om de microbuisjes in meerdere lagen te stapelen, zodat bundels zenuwen kunnen groeien in een 3D-netwerk.

"Als we lijnen van neuronen samen in een bundel kunnen laten groeien, we kunnen simuleren wat er langs je ruggengraat gaat of naar je ledematen gaat, "Zei Froeter. "Dan kunnen we volwassen culturen nemen en ze scheiden, breng dan de microbuisjes in en kijk hoe ze teruggroeien."

"Het duurt lang om naar de kliniek te gaan, maar dat houdt ons gemotiveerd, ' zei Li.