Neuronal utveckling regleras ofta av den graderade fördelningen av styrmolekyler, som antingen kan attrahera eller stöta bort den neuronala migrationen eller neuritprojektionen när den presenteras i ett format av koncentrationsgradienter, eller kemotaxi. Dock, många detaljer om processen är i stort sett outforskade.

En forskargrupp från City University of Hong Kong (CityU) har tacklat detta problem på ett exakt och systematiskt sätt genom att utveckla en ny enhet, och har nyligen publicerat sina resultat i en forskningsartikel i tidskriften Naturkommunikation , med titeln "High-throughput tredimensionella kemotaktiska analyser avslöjar branthetsberoende komplexitet i neuronal sensation till molekylära gradienter."

Kemotaxi hänvisar till en organisms rörelse som svar på en kemisk stimulans. Det är välkänt att koncentrationsgradienterna för styrmolekyler, såsom netrin eller semaforin (Sema) proteiner, spelar en avgörande roll i embryonal neural utveckling. Än, exakt hur de fysiska profilerna av molekylära gradienter, t.ex. den ändrade hastigheten för koncentrationsprofiler (gradientbranthet), samspel med neuronal utveckling har länge varit en obesvarad fråga. En del av anledningen var bristen på 3D-enheter som kan rekapitulera viktiga funktioner i hjärnvävnad utanför människokroppen. Tidigare in vitro kemotaktiska analyser är ofta 2-D, låg genomströmning (vilket betyder att experimenten måste upprepas manuellt många gånger för att samla in data för olika parametrar) och saknar fin gradientkontroll.

Som svar, CityU-teamet utvecklar en ny plattform för att utföra de kemotaktiska experimenten. De har utvecklat en hydrogelbaserad mikrofluidisk plattform för högkapacitets 3-D kemotaktiska analyser, och använde den för att studera neuronal känslighet för den branta molekylära gradienten, kasta ljus över neurala regenereringsmekanismer genom att känna igen subtil variation i gradientprofilerna för styrmolekyler.

"Vårt chip mäter bara 1 gånger 3 cm ² , men rymmer hundratals upphängda mikroskala hydrogelcylindrar, var och en innehåller en distinkt gradientprofil för att möjliggöra 3D-tillväxt av neuronala celler i en miljö som nära liknar den inuti våra hjärnor, " säger Dr Shi Peng, Docent vid institutionen för biomedicinsk teknik (BME) vid CityU, som ledde forskningen.

"Den stora fördelen med installationen är den höga genomströmningen, vilket innebär att en stor samling molekylära gradientprofiler kan testas parallellt med ett enda chip för att generera en enorm mängd data, och experimenttiden kan minskas från månader till 48 timmar, " han förklarar.

Med hjälp av den nya plattformen och rigorösa statistiska analyser, teamet har avslöjat dramatisk mångfald och komplexitet i den kemotaktiska regleringen av neuronal utveckling av olika vägledande molekyler. Särskilt, för Sema3A, teamet har funnit att två signalvägar, nämligen STK11 och GSK3, är differentiellt involverade i branthetsberoende kemotaktisk reglering av koordinerad neuritavstötning och neuronal migration.

Baserat på dessa fynd, teamet visade vidare att vägledningsmolekylen, Sema3A, är bara fördelaktigt för att främja cortexregenerering om den presenteras i rätt gradientform i en skadad råtthjärna, vilket rapporterades i en annan artikel i tidskriften Biomaterial tidigare i år.

"Vid hjärnskada, nervsystemet regenereras inte lätt, så korrekt användning av vägledningsmolekyler skulle hjälpa hjärnan att återhämta sig. I detta avseende vår forskning ger insikter i utvecklingen av nya terapeutiska strategier, " avslutade Dr. Shi.