Minuscolo, i microtubi sottili potrebbero fornire un'impalcatura per la crescita delle colture di neuroni in modo che i ricercatori possano studiare le reti neurali, la loro crescita e riparazione, fornendo approfondimenti sul trattamento per condizioni neurologiche degenerative o ripristinando le connessioni nervose dopo un infortunio.

I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign e dell'Università del Wisconsin-Madison hanno creato la piattaforma di microtubi per studiare la crescita dei neuroni. Essi postulano che i microtubi potrebbero un giorno essere impiantati come stent per promuovere la ricrescita dei neuroni nei siti di lesioni o per curare le malattie.

"Questa è una potente piattaforma tridimensionale per la cultura dei neuroni, " disse Xiuling Li, U. of I. professore di ingegneria elettrica e informatica che ha co-diretto lo studio insieme al professore UW-Madison Justin Williams. "Possiamo guidare, accelerare e misurare il processo di crescita dei neuroni, tutto in una volta."

Il team ha pubblicato i risultati sulla rivista ACS Nano .

"Ci sono molte malattie di cui è molto difficile capire i meccanismi nel corpo, così le persone coltivano culture su piattaforme così possiamo vedere le dinamiche al microscopio, " ha detto lo studente laureato dell'Università di I. Paul Froeter, il primo autore dello studio. "Se possiamo vedere cosa sta succedendo, speriamo di poter capire la causa della carenza e porvi rimedio, e poi integrarlo nel corpo."

La sfida più grande che devono affrontare i ricercatori che cercano di coltivare i neuroni per lo studio è che è molto difficile ricreare l'accogliente, morbido, ambiente tridimensionale del cervello. Altre tecniche hanno utilizzato lastre o canali di vetro scolpiti in lastre dure di materiale, ma le cellule nervose hanno un aspetto e si comportano diversamente da come sarebbero nel corpo. I microtubi forniscono un tridimensionale, ponteggi flessibili, come fa la matrice cellulare nel corpo.

Il team utilizza una serie di microtubi, realizzato con una tecnica sperimentata nel laboratorio di Li per applicazioni elettroniche come gli induttori 3-D. Membrane sottilissime di nitruro di silicio si arrotolano in tubi di dimensioni precise. I tubi sono larghi circa quanto le cellule, finché un capello umano è largo, e distanziati tra loro quanto sono lunghi. I neuroni crescono lungo e attraverso i microtubi, inviando braccia esplorative attraverso gli spazi vuoti per trovare il prossimo tubo.

Froeter ha ideato un modo per montare i microtubi su vetrini, lo standard per le colture biologiche. I sottili tubi in nitruro di silicio sono trasparenti, così i ricercatori possono osservare le cellule neuronali vive mentre crescono utilizzando un microscopio convenzionale.

"Avere la capacità di vedere attraverso il tubo e il substrato sottostante è stato davvero illuminante, " ha detto Williams, un professore di ingegneria biomedica alla UW-Madison. "Senza questo potremmo aver notato un aumento complessivo dei tassi di crescita, ma non avremmo mai osservato i drammatici cambiamenti che si verificano quando le cellule passano dalle regioni piatte agli ingressi dei tubi".

I microtubi non solo forniscono la struttura per la rete neurale, collegamenti guida, ma anche accelerare la crescita delle cellule nervose - e il tempo è cruciale per ripristinare le connessioni recise in caso di lesione del midollo spinale o riattacco degli arti.

Perché sono così magri, i microtubi sono abbastanza flessibili da avvolgere le cellule senza danneggiarle o appiattirle. I ricercatori hanno scoperto che gli assoni, i lunghi rami che le cellule nervose inviano per stabilire connessioni, crescere attraverso i microtubi come una guaina - e fino a 20 volte la velocità di crescita attraverso gli spazi vuoti.

"Non sorprende che agli assoni piaccia crescere all'interno dei tubi, " Williams ha detto. "Questi sono esattamente i tipi di spazi in cui crescono in vivo. Ciò che è stato davvero sorprendente è quanto siano cresciuti più velocemente. Questo ora ci offre un potente strumento di indagine mentre cerchiamo di ottimizzare ulteriormente la struttura e la geometria dei tubi".

Gli array di microtubi possono essere adattati a qualsiasi dimensione necessaria, poiché le cellule nervose variano notevolmente in termini di dimensioni da piccole cellule cerebrali a grandi nervi che controllano i muscoli. Li e Froeter hanno già inviato array di microtubi di varie dimensioni ad altri gruppi di ricerca che studiano reti neurali per diverse applicazioni.

Per il gruppo di Li, il passo successivo è inserire degli elettrodi nei microtubi in modo che i ricercatori possano misurare i segnali elettrici che i nervi conducono.

"Se mettiamo degli elettrodi all'interno del tubo, poiché sono direttamente in contatto con l'assone, saremo in grado di studiare la conduzione del segnale molto meglio dei metodi convenzionali, " disse Li.

Stanno anche lavorando per impilare i microtubi in più strati in modo che i fasci di nervi possano crescere in una rete 3D.

"Se riusciamo a far crescere insieme linee di neuroni in un fascio, potremmo simulare ciò che sta scendendo lungo la tua spina dorsale o andando alle tue membra, " disse Froeter. "Allora possiamo prendere culture mature e reciderle, quindi introdurre i microtubi e vedere come ricrescono."

"Raggiungere la clinica richiederà molto tempo, ma questo è ciò che ci tiene motivati, " disse Li.