Los ingenieros del MIT han desarrollado un dispositivo microfluídico que replica la unión neuromuscular, la conexión vital donde el nervio se encuentra con el músculo. El dispositivo, aproximadamente del tamaño de un cuarto de EE. UU., Contiene una sola tira muscular y un pequeño conjunto de neuronas motoras. Los investigadores puedeninfluir y observar las interacciones entre los dos, dentro de una matriz realista y tridimensional.
Los investigadores modificaron genéticamente las neuronas en el dispositivo para responder a la luz. Al iluminar directamente las neuronas, pueden estimular con precisión estas células, que a su vez envían señales para excitar la fibra muscular. Los investigadores también midieron la fuerza del músculoejerce dentro del dispositivo cuando se contrae o contrae en respuesta.
Los resultados del equipo, publicados en línea hoy en Avances científicos , puede ayudar a los científicos a comprender e identificar medicamentos para tratar la esclerosis lateral amiotrófica ELA, más comúnmente conocida como enfermedad de Lou Gehrig, así como otras afecciones neuromusculares.
"La unión neuromuscular está involucrada en muchos trastornos muy incapacitantes, a veces brutales y fatales, para los cuales aún queda mucho por descubrir", dice Sebastien Uzel, quien dirigió el trabajo como estudiante graduado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT"La esperanza es que poder formar uniones neuromusculares in vitro nos ayudará a entender cómo funcionan ciertas enfermedades".
Los coautores de Uzel incluyen a Roger Kamm, el Profesor Distinguido Cecil e Ida Green de Ingeniería Mecánica y Biológica en el MIT, junto con el ex estudiante graduado y ahora postdoctorado Randall Platt, el científico investigador Vidya Subramanian, el ex investigador universitario Taylor Pearl, el postdoctorado Christopher Rowlands,el ex postdoc Vincent Chan, profesor asociado de biología Laurie Boyer, y profesor de ingeniería mecánica e ingeniería biológica Peter So.
Acercándose a una contraparte
Desde la década de 1970, los investigadores han ideado numerosas formas de simular la unión neuromuscular en el laboratorio. La mayoría de estos experimentos involucran el crecimiento de células musculares y nerviosas en placas Petri poco profundas o en pequeños sustratos de vidrio. Pero tales entornos están muy lejos de serlo.el cuerpo, donde los músculos y las neuronas viven en entornos tridimensionales complejos, a menudo separados a largas distancias.
"Piensa en una jirafa", dice Uzel, quien ahora es un postdoctorado en el Instituto Wyss de la Universidad de Harvard. "Las neuronas que viven en la médula espinal envían axones a través de distancias muy grandes para conectarse con los músculos de la pierna".
Para recrear uniones neuromusculares in vitro más realistas, Uzel y sus colegas fabricaron un dispositivo microfluídico con dos características importantes: un entorno tridimensional y compartimentos que separan los músculos de los nervios para imitar su separación natural en el cuerpo humano. Los investigadores suspendieroncélulas musculares y neuronales en los compartimentos de tamaño milimétrico, que luego llenaron con gel para imitar un entorno tridimensional
Un destello y una contracción
Para cultivar una fibra muscular, el equipo utilizó células precursoras musculares obtenidas de ratones, que luego diferenciaron en células musculares. Inyectaron las células en el compartimento microfluídico, donde las células crecieron y se fusionaron para formar una sola tira muscular. Del mismo modo,diferenciaron las neuronas motoras de un grupo de células madre y colocaron el agregado resultante de células neuronales en el segundo compartimiento. Antes de diferenciar ambos tipos de células, los investigadores modificaron genéticamente las células neuronales para responder a la luz, utilizando una técnica ahora conocida comooptogenética.
Kamm dice que la luz "le da un control preciso de las células que desea activar", en lugar de usar electrodos, que, en un espacio tan reducido, puede estimular inadvertidamente otras células además de las células neuronales específicas.
Finalmente, los investigadores agregaron una característica más al dispositivo: detección de fuerza. Para medir la contracción muscular, fabricaron dos pilares pequeños y flexibles dentro del compartimento de las células musculares, alrededor de los cuales la fibra muscular en crecimiento podría envolverse. A medida que el músculo se contrae,los pilares se juntan, creando un desplazamiento que los investigadores pueden medir y convertir en fuerza mecánica.
En experimentos para probar el dispositivo, Uzel y sus colegas observaron por primera vez las neuronas que se extienden axones hacia la fibra muscular dentro de la región tridimensional. Una vez que observaron que un axón se había conectado, estimularon la neurona con un pequeño estallido de azulligero e instantáneamente observó una contracción muscular.
"Enciendes una luz, obtienes una contracción", dice Kamm.
A juzgar por estos experimentos, Kamm dice que el dispositivo microfluídico puede servir como un campo de pruebas fructífero para medicamentos para tratar trastornos neuromusculares e incluso podría adaptarse a pacientes individuales.
"Podría potencialmente tomar células pluripotentes de un paciente con ELA, diferenciarlas en células musculares y nerviosas, y hacer todo el sistema para ese paciente en particular", dice Kamm. "Entonces podría replicarlo tantas veces como quiera, ypruebe diferentes medicamentos o combinaciones de terapias para ver cuál es más eficaz para mejorar la conexión entre los nervios y los músculos ".
Por otro lado, dice que el dispositivo puede ser útil para "modelar protocolos de ejercicio". Por ejemplo, al estimular las fibras musculares en diferentes frecuencias, los científicos pueden estudiar cómo el estrés repetido afecta el rendimiento muscular.
"Ahora con todos estos nuevos enfoques microfluídicos que las personas están desarrollando, puede comenzar a modelar sistemas más complejos con neuronas y músculos", dice Kamm. "La unión neuromuscular es otra unidad que las personas ahora pueden incorporar en esas modalidades de prueba".
Esta investigación fue financiada, en parte, por la National Science Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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