Imagen de microscopio de una neurona que crece a través de un microtubo. El tubo es suave y flexible, envolviendo el axón y proporcionando un acogedor, Andamio 3-D. Crédito:Xiuling Li, Universidad de Illinois
Diminuto, Los microtubos delgados podrían proporcionar un andamio para que crezcan los cultivos de neuronas para que los investigadores puedan estudiar las redes neuronales. su crecimiento y reparación, aportando conocimientos sobre el tratamiento de enfermedades neurológicas degenerativas o restauración de las conexiones nerviosas después de una lesión.
Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y la Universidad de Wisconsin-Madison crearon la plataforma de microtubos para estudiar el crecimiento neuronal. Ellos postulan que algún día los microtubos podrían implantarse como stents para promover el recrecimiento de neuronas en los sitios de la lesión o para tratar enfermedades.
"Esta es una poderosa plataforma tridimensional para el cultivo de neuronas, "dijo Xiuling Li, Profesor de ingeniería eléctrica e informática de la U. de I. que codirigió el estudio junto con el profesor de la UW-Madison, Justin Williams. "Podemos guiar, acelerar y medir el proceso de crecimiento neuronal, de repente."
El equipo publicó los resultados en la revista. ACS Nano .
"Hay muchas enfermedades de las que es muy difícil descubrir los mecanismos del cuerpo, para que la gente desarrolle culturas en plataformas para que podamos ver la dinámica bajo un microscopio, "dijo el estudiante graduado de la U. de I. Paul Froeter, el primer autor del estudio. "Si podemos ver lo que está sucediendo, con suerte, podemos descubrir la causa de la deficiencia y remediarla, y luego integrar eso en el cuerpo ".
El mayor desafío al que se enfrentan los investigadores que intentan cultivar neuronas para su estudio es que es muy difícil recrear lo acogedor, suave, Entorno tridimensional del cerebro. Otras técnicas han utilizado placas de vidrio o canales tallados en losas duras de material, pero las células nerviosas se ven y se comportan de manera diferente a como lo harían en el cuerpo. Los microtubos proporcionan un tridimensional, andamio flexible, la forma en que lo hace la matriz celular en el cuerpo.
El equipo utiliza una serie de microtubos, fabricado con una técnica pionera en el laboratorio de Li para aplicaciones electrónicas como inductores 3-D. Membranas muy delgadas de nitruro de silicio se enrollan en tubos de dimensiones precisas. Los tubos son tan anchos como las células, mientras un cabello humano sea ancho, y espaciados tan lejos como sean largos. Las neuronas crecen a lo largo y a través de los microtubos, enviando brazos exploratorios a través de los huecos para encontrar el siguiente tubo.
Una secuencia de lapso de tiempo de una neurona que crece de un tubo a otro en la matriz. La neurona crece mucho más rápido dentro del microtubo que en los espacios entre los tubos. Crédito:Xiuling Li, Universidad de Illinois
Froeter ideó una forma de montar los microtubos en portaobjetos de vidrio, el estándar para cultivos biológicos. Los tubos delgados de nitruro de silicio son transparentes, para que los investigadores puedan observar las células neuronales vivas a medida que crecen utilizando un microscopio convencional.
"Tener la capacidad de ver a través del tubo y el sustrato subyacente ha sido realmente instructivo, "dijo Williams, profesor de ingeniería biomédica en UW-Madison. "Sin esto, es posible que hubiéramos notado un aumento general en las tasas de crecimiento, pero nunca hubiéramos observado los cambios dramáticos que ocurren cuando las células pasan de las regiones planas a las entradas de los tubos ".
Los microtubos no solo proporcionan estructura a la red neuronal, conexiones de guía, sino que también acelera el crecimiento de las células nerviosas, y el tiempo es crucial para restaurar las conexiones rotas en el caso de una lesión de la médula espinal o la reconexión de una extremidad.
Porque son tan delgados los microtubos son lo suficientemente flexibles como para envolver las células sin dañarlas ni aplanarlas. Los investigadores encontraron que los axones, las ramas largas que las células nerviosas envían para hacer conexiones, crecen a través de los microtubos como una vaina, y hasta 20 veces la velocidad de crecimiento a través de los espacios.
"No es sorprendente que a los axones les guste crecer dentro de los tubos, "Dijo Williams." Estos son exactamente los tipos de espacios donde crecen in vivo. Lo que fue realmente sorprendente fue lo rápido que crecieron. Esto ahora nos brinda una poderosa herramienta de investigación a medida que buscamos optimizar aún más la estructura y la geometría del tubo ".
Las matrices de microtubos se pueden ajustar a cualquier dimensión necesaria, dado que las células nerviosas varían mucho en tamaño, desde pequeñas células cerebrales hasta grandes nervios que controlan los músculos. Li y Froeter ya han enviado matrices de microtubos de varias dimensiones a otros grupos de investigación que estudian redes neuronales para diversas aplicaciones.
Para el grupo de Li, el siguiente paso es colocar electrodos en los microtubos para que los investigadores puedan medir las señales eléctricas que conducen los nervios.
"Si colocamos electrodos dentro del tubo, ya que están en contacto directo con el axón, podremos estudiar la conducción de la señal mucho mejor que los métodos convencionales, "Dijo Li.
También están trabajando para apilar los microtubos en múltiples capas para que los haces de nervios puedan crecer en una red 3-D.
"Si podemos hacer crecer líneas de neuronas juntas en un paquete, podríamos simular lo que le baja por la columna vertebral o lo que le llega a las extremidades, ", Dijo Froeter." Entonces podemos tomar cultivos maduros y cortarlos, luego introduzca los microtubos y observe cómo vuelven a crecer ".
"Llegar a la clínica llevará mucho tiempo, pero eso es lo que nos mantiene motivados, "Dijo Li.
