Lo sviluppo neuronale è spesso regolato dalla distribuzione graduale delle molecole guida, che può attrarre o respingere la migrazione neuronale o la proiezione dei neuriti se presentata in un formato di gradienti di concentrazione, o chemiotassi. Però, molti dettagli sul processo sono in gran parte inesplorati.

Un gruppo di ricerca della City University di Hong Kong (CityU) ha affrontato questo problema in modo preciso e sistematico sviluppando un nuovo dispositivo, e ha recentemente pubblicato i loro risultati in un articolo di ricerca sulla rivista Comunicazioni sulla natura , intitolato "Saggi chemiotattici tridimensionali ad alto rendimento rivelano la complessità dipendente dalla pendenza nella sensazione neuronale ai gradienti molecolari".

La chemiotassi si riferisce al movimento di un organismo in risposta a uno stimolo chimico. È noto che i gradienti di concentrazione delle molecole guida, come le proteine ​​della netrina o della semaforina (Sema), svolgono ruoli critici nello sviluppo neurale embrionale. Ancora, come esattamente i profili fisici dei gradienti molecolari, per esempio. il tasso di variazione dei profili di concentrazione (pendenza del gradiente), interazioni con lo sviluppo neuronale è rimasta a lungo una domanda senza risposta. Parte del motivo era la mancanza di dispositivi 3D in grado di ricapitolare importanti caratteristiche dei tessuti cerebrali al di fuori del corpo umano. I precedenti test chemiotattici in vitro sono spesso 2-D, bassa produttività (il che significa che è necessario ripetere manualmente gli esperimenti molte volte per raccogliere dati per parametri diversi) e non ha un controllo preciso del gradiente.

In risposta, il team di CityU sviluppa una nuova piattaforma per eseguire gli esperimenti chemiotattici. Hanno sviluppato una piattaforma microfluidica a base di idrogel per saggi chemiotattici 3D ad alto rendimento, e lo usò per studiare la sensibilità neuronale alla pendenza del gradiente molecolare, far luce sul meccanismo di rigenerazione neurale riconoscendo sottili variazioni nei profili di gradiente delle molecole guida.

"Il nostro chip misura solo 1 x 3 cm ² , ma ospita centinaia di cilindri di idrogel in microscala sospesi, ciascuno contenente un profilo gradiente distinto per consentire la crescita 3-D delle cellule neuronali in un ambiente molto simile a quello all'interno del nostro cervello, "dice il dottor Shi Peng, Professore Associato nel Dipartimento di Ingegneria Biomedica (BME) presso CityU, che ha condotto la ricerca.

"Il principale vantaggio della configurazione è l'elevata produttività, il che significa che un'ampia raccolta di profili di gradiente molecolare può essere testata in parallelo utilizzando un singolo chip per generare un'enorme quantità di dati, e il tempo dell'esperimento può essere ridotto da mesi a 48 ore, " lui spiega.

Utilizzando la nuova piattaforma e rigorose analisi statistiche, il team ha rivelato una notevole diversità e complessità nella regolazione chemiotattica dello sviluppo neuronale da parte di varie molecole guida. In particolare, per Sema3A, il team ha scoperto che due vie di segnalazione, vale a dire STK11 e GSK3, sono coinvolti in modo diverso nella regolazione chemiotattica dipendente dalla pendenza della repellenza dei neuriti coordinata e della migrazione neuronale.

Sulla base di questi risultati, il team ha inoltre dimostrato che la molecola guida, Sema3A, è utile per promuovere la rigenerazione della corteccia solo se si presenta nella giusta forma del gradiente in un cervello di ratto ferito, che è stato riportato in un altro articolo sulla rivista Biomateriali all'inizio di quest'anno.

"In caso di lesioni cerebrali, il sistema nervoso non si rigenera facilmente, quindi un uso corretto delle molecole guida aiuterebbe il cervello a riprendersi. A questo proposito, la nostra ricerca fornisce approfondimenti per lo sviluppo di nuove strategie terapeutiche, " ha concluso il dottor Shi.