Μηχανικοί του MIT ανέπτυξαν μια μικροσυσκευή υγρών που αναπαράγει τη νευρομυϊκή σύνδεση, τη ζωτική σύνδεση, όπου τα νεύρα συναντούν τους μυς. Η συσκευή, έχει μέγεθος ενός κέρματος και περιέχει μια μόνο λωρίδα μυών και ένα μικρό σύνολο κινητικών νευρώνων. Οι ερευνητές μπορούν να επηρεάσουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των δύο, μέσα σε μια πραγματική, τρισδιάστατη μήτρα.

Οι ερευνητές τροποποίησαν γενετικά τους νευρώνες στη συσκευή ώστε να αντιδρούν στο φως. Με έντονο φως απευθείας πάνω στους νευρώνες, μπορούν να διεγείρουν τα κύτταρα, τα οποία με τη σειρά τους στέλνουν σήματα για τη διέγερση των μυϊκών ινών. Στη συνέχεια μέτρησαν τη δύναμη των μυών από τις συσπάσεις που προκαλούνται.

Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν  online στο επιστημονικό περιοδικό Science Advances, και αναμένεται να βοηθήσουν τους επιστήμονες να κατανοήσουν και να εντοπίσουν φάρμακα για τη θεραπεία της αμυοτροφικής πλευρικής σκλήρυνσης (ALS) ή νόσου του Lou Gehrig, καθώς και άλλες νευρομυϊκές παθήσεις.

"Η νευρομυϊκή διασταύρωση εμπλέκεται πολύ βίαιες και μοιραίες διαταραχές, για τις οποίες δεν γνωρίζουμε ακόμη πολλά,» λέει ο  Sebastien Uzel, που ξεκίνησε τη μελέτη ως μεταπτυχιακός φοιτητής στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του MIT. "Ελπίζουμε, να δημιουργήσουμε νευρομυϊκές συνάψεις in vitro για να καταλάβουμε πώς ορισμένες ασθένειες λειτουργούν."

Την εργασία ξεκίνησε ο Sebastien Uzel, σε συνεργασία με τον καθηγητή Μηχανολόγων και Βιολογικής Μηχανικής του ΜΙΤ Roger Kamm, τον μεταδιδακτορικό φοιτητή Randall Platt, την ερευνήτρια Vidya Subramanian,  τον π. προπτυχιακό ερευνητή Taylor Pearl, τον μεταδιδακτορικό Christopher Rowlands, τον π. μεταδιδακτορικό Vincent Chan, την επίκουρο καθηγητή Βιολογίας Laurie Boyer και τον καθηγητή Μηχανολόγων Μηχανικών και Βιολόγων Μηχανικών Peter So.

Από το 1970, οι ερευνητές έχουν βρει πολλούς τρόπους να προσομοιώσουν την νευρομυϊκή σύνδεση στο εργαστήριο. Τα περισσότερα πειράματα περιλαμβάνουν καλλιέργεια μυών και νευρικά κύτταρα σε ρηχά πιάτα Petri ή σε μικρά γυάλινα υποστρώματα. Αλλά τέτοια περιβάλλοντα είναι πολύ μακριά από το σώμα, όπου οι μύες και οι νευρώνες ζουν σε πολύπλοκα, τρισδιάστατα περιβάλλοντα, συχνά χωριζόμενα από μεγάλες αποστάσεις.

"Σκεφτείτε μια καμηλοπάρδαλη», λέει ο Uzel, ο οποίος είναι τώρα μεταδιδακτορικός στο Ινστιτούτο Wyss στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. "Οι νευρώνες που ζουν στο νωτιαίο μυελό στέλνουν άξονες σε πολύ μεγάλες αποστάσεις για να συνδεθούν με τους μυς στο πόδι".

Για να αναδημιουργήσει πιο ρεαλιστικές in vitro νευρομυϊκές συνάψεις, ο Uzel και οι συνεργάτες του κατασκεύασαν μια μικροσυσκευή υγρών με δύο σημαντικά χαρακτηριστικά: ένα τρισδιάστατο περιβάλλον, καθώς και διαμερίσματα που διαχωρίζουν τους μυς από τα νεύρα για να μιμηθούν το φυσικό τους διαχωρισμό στο ανθρώπινο σώμα. 

Οι ερευνητές ανέστειλαν μυϊκά και νευρωνικά κύτταρα στα διαμερίσματα μεγέθους χιλιοστών, τα οποία στη  συνέχεια γέμισαν με γέλη ώστε να μιμείται ένα τρισδιάστατο περιβάλλον.

Ένα φλας και μια σύσπαση

Για να αναπτυχθεί μια μυϊκή ίνα, η ομάδα χρησιμοποίησε πρόδρομα μυϊκά κύτταρα από ποντίκια, τα οποία στη συνέχεια διαφοροποίησαν σε μυϊκά κύτταρα. Έγχυσαν τα κύτταρα στη συσκευή και αυτά αναπτύχθηκαν και σχημάτισαν μια λωρίδα μυός. Ομοίως, διαφοροποίησαν τους κινητικούς νευρώνες από μία συστάδα βλαστικών κυττάρων, και τοποθέτησαν το προκύπτον συσσωμάτωμα νευρικών κυττάρων στο δεύτερο διαμέρισμα της συσκευής. Πριν από τη διαφοροποίηση και των δύο τύπων κυττάρων, οι ερευνητές τροποποίησαν γενετικά τα νευρικά κύτταρα να αντιδρούν στο φως, χρησιμοποιώντας μια κοινή τεχνική που είναι γνωστή ως optogenetics.
Ο καθ. Κamm εξήγησε πως το φως "επιτρέπει τον έλεγχο του τι κύτταρα θέλεις να ενεργοποιήσεις, σε αντίθεση με τη χρήση ηλεκτροδίων, η οποία, σε ένα τέτοιο περιορισμένο χώρο, μπορούν να διεγείρουν κύτταρα εκτός από τα επιθυμητά νευρικά κύτταρα".

Τέλος, οι ερευνητές πρόσθεσαν ένα ακόμη χαρακτηριστικό στη συσκευή: υποχρεωτική  ανίχνευση. Για να μετρήσουν τη σύσπαση των μυών, κατασκεύασαν δύο πυλώνες μέσα στο διαμέρισμα των μυϊκών κυττάρων », γύρω από το οποίο θα μπορούσε να τυλιχτεί η μυική ίνα που μεγάλωνε. Καθώς ο μυς συσπάται, οι πυλώνες συμπιέζονται,  δημιουργώντας μια μετατόπιση που οι ερευνητές μπορούν να μετρήσουν σε μηχανική δύναμη.

Σε πειράματα για τον έλεγχο της συσκευής, ο Uzel και οι συνεργάτες του πρώτα παρατήρησαν οι νευρώνες να εκτείνουν νευράξονες προς τη μυϊκή ίνα εντός της συσκευής. Μόλις ένας νευράξονας έκανε μια σύνδεση, ενεργοποιούσε το νευρώνα με ένα μικρό μπλε φωτός και αμέσως γινόταν μια σύσπαση των μυών.

"Αναβοσβήνεις ένα φως, παίρνεις μια σύσπαση," είπε ο Kamm.

Κρίνοντας από αυτά τα πειράματα, ο Kamm δήλωσε πως η συσκευή μπορεί να χρησιμεύσει ως πεδίο δοκιμών για φάρμακα για τη θεραπεία νευρομυϊκών διαταραχών, και θα μπορούσε ακόμη και να προσαρμόζεται ατομικά στους ασθενείς.
Από την άλλη πλευρά, η συσκευή μπορεί να είναι χρήσιμη σε "πρωτόκολλα διαδικασίας μοντελοποίησης."
Για παράδειγμα, με την τόνωση των μυϊκών ινών σε διαφορετικές συχνότητες, οι επιστήμονες μπορούν να μελετήσουν πώς η επαναλαμβανόμενη πίεση επηρεάζει την απόδοση των μυών.