Para ilmuwan menipu neuron untuk berpikir bahwa mereka berada di otak yang nyata
Dengan menyusun lingkungan seperti otak buatan dengan nanopillar mikroskopis, para peneliti telah berhasil memandu neuron untuk tumbuh dalam jaringan terstruktur.
Inovasi ini dapat merevolusi bagaimana para ilmuwan mempelajari kondisi neurologis dengan menawarkan cara yang lebih akurat untuk mengamati perilaku sel otak.
Pertumbuhan yang terinspirasi oleh otak: Terobosan dalam penelitian saraf
Neuron, sel -sel kunci otak, terhubung dengan bertukar sinyal, memungkinkan otak untuk belajar dan beradaptasi dengan cepat. Para peneliti di Delft University of Technology (Tu Delft) di Belanda telah mengembangkan lingkungan yang dicetak 3D yang secara erat meniru jaringan otak nyata. Dengan menggunakan nanopillar kecil, mereka mereplikasi struktur lunak jaringan saraf dan serat matriks ekstraseluler yang mendukung sel -sel otak. Model inovatif ini memberikan wawasan berharga tentang bagaimana neuron membentuk jaringan dan dapat membantu para peneliti lebih memahami perubahan gangguan neurologis seperti AlzheimerPenyakit Parkinson, dan gangguan spektrum autisme.
Neuron, seperti sel lain dalam tubuh, merespons tekstur dan struktur lingkungannya. Cawan petri tradisional datar dan kaku, tidak seperti matriks ekstraseluler berserat dan berserat yang ditemukan di otak. Untuk meniru lingkungan alam ini dengan lebih baik, sebuah tim yang dipimpin oleh associate profesor Angelo Accardo merancang array nanopillar khusus menggunakan polimerisasi dua foton, sebuah teknik pencetakan berbantuan laser 3D yang sangat tepat di nano.
Pilar -pilar ini, yang masing -masing seribu kali lebih tipis dari rambut manusia, diatur seperti hutan kecil di permukaan. Dengan mengubah lebar dan tinggi, atau rasio aspek, dari pilar, para peneliti menyetel modulus geser efektif mereka, sifat mekanis yang dirasakan oleh sel-sel ketika merangkak di atas susunan mikro atau nano-struktur.
“Ini menipu neuron menjadi“ berpikir ”bahwa mereka berada di lingkungan yang lembut, seperti otak, meskipun bahan nanopillar itu sendiri kaku. Saat membungkuk di bawah merangkak neuron, nanopillar tidak hanya mensimulasikan kelembutan jaringan otak tetapi juga menyediakan struktur nanometrik 3D yang dapat diambil neuron, seperti halnya serat nano matriks ekstra seluler dalam jaringan otak nyata, ”kata Accardo. Ini memengaruhi bagaimana neuron tumbuh dan terhubung satu sama lain.
Dari pertumbuhan acak ke jaringan yang dipesan
Untuk menguji model, para peneliti menumbuhkan tiga jenis sel neuron yang berbeda, berasal dari jaringan otak tikus atau dari sel induk manusia, pada nanopillar. Dalam cawan petri datar tradisional dan biomaterial 2D, neuron tumbuh dalam arah acak. Tetapi pada array nanopillar yang dicetak 3D, ketiga jenis sel tumbuh dalam pola yang lebih terorganisir, membentuk jaringan pada sudut tertentu.
Studi ini, yang diterbitkan dalam bahan fungsional canggih dan ditampilkan di sampulnya, juga mengungkapkan wawasan baru tentang kerucut pertumbuhan neuron. Accardo: “Struktur seperti tangan ini memandu ujung neuron yang tumbuh saat mereka mencari koneksi baru. Pada permukaan datar, kerucut pertumbuhan menyebar dan tetap relatif datar. Tetapi pada susunan nanopillar, kerucut pertumbuhan mengirim proyeksi panjang, seperti jari, menjelajahi lingkungan mereka di segala arah-tidak hanya di sepanjang pesawat datar tetapi juga di ruang 3D, menyerupai apa yang terjadi di lingkungan otak yang nyata. “
“Selain itu, kami menemukan bahwa lingkungan yang diciptakan oleh nanopillar juga tampaknya mendorong neuron untuk matang,” menyoroti George Flamourakis, penulis pertama penelitian ini. Sel -sel progenitor saraf yang tumbuh pada pilar menunjukkan tingkat penanda neuron dewasa yang lebih tinggi, dibandingkan dengan yang ditanam pada permukaan datar. “Ini menunjukkan bahwa sistem tidak hanya mempengaruhi arah pertumbuhan tetapi juga mempromosikan pematangan neuronal.”
Alat untuk mempelajari gangguan otak
Namun, jika kelembutan sangat penting, mengapa tidak menumbuhkan neuron pada bahan lunak seperti gel? “Masalahnya adalah bahwa matriks gel, seperti kolagen atau matrigel, biasanya menderita variabilitas batch-to-batch dan tidak fitur fitur geometris yang dirancang secara rasional. Model array nanopillar menawarkan yang terbaik dari kedua dunia: berperilaku seperti lingkungan yang lembut dengan fitur nanometrik, dan memiliki reproduktifitas yang sangat tinggi berkat resolusi polimerisasi dua foton, ”jelas Accardo.
Dengan lebih baik mereplikasi bagaimana neuron tumbuh dan terhubung, model yang dikembangkan dapat menawarkan wawasan baru tentang perbedaan antara jaringan otak yang sehat dan yang terkait dengan gangguan neurologis, seperti Alzheimer, penyakit Parkinson, dan gangguan spektrum autisme.
Reference: “Deciphering the Influence of Effective Shear Modulus on Neuronal Network Directionality and Growth Cones' Morphology via Laser-Assisted 3D-Printed Nanostructured Arrays” by George Flamourakis, Qiangrui Dong, Dimitri Kromm, Selina Teurlings, Jeffrey van Haren, Tim Allertz, Hilde Smeenk, Femke MS de Vrij, Roderick P. Tas, Carlas S. Smith, Daan Brinks dan Angelo Accardo, 21 Oktober 2024, Bahan fungsional canggih.
Doi: 10.1002/ADFM.202409451
