Ett nanomaterial konstruerat av forskare vid Duke kan hjälpa till att reglera kloridnivåer i nervceller som bidrar till kronisk smärta, epilepsi, och traumatisk hjärnskada.
Resultaten, publicerad online 10 december, 2012, i tidningen Små , demonstrerades i enskilda nervceller såväl som i hjärnan hos möss och råttor, och kan ha framtida applikationer i intrakraniella eller ryggradsenheter för att behandla neurala skador.
Kolnanorör är ett nanomaterial med unika egenskaper, inklusive mekanisk styrka och elektrisk konduktivitet. Dessa egenskaper, tillsammans med deras lilla storlek, göra dem tilltalande för forskare inom teknik och medicin.
I en värld av krympande datorer och smartphones, kolnanorör har tappats som en lösning för att förbättra mikrochips. De överskrider kiselmikrochips i storlek och prestanda, tillgodose ett krav på mindre, snabbare enheter. För personer med nervskada och vissa neurologiska störningar, enheter som är belagda med eller helt tillverkade av kolnanorör kan erbjuda en ny väg för att förbättra behandlingsalternativen.
"Kolfiberrör har stora löften för en rad applikationer, och vi börjar bara se deras enorma potential, "sa huvudförfattaren Wolfgang Liedtke, M.D., Doktorsexamen, docent i medicin och neurobiologi vid Duke. "Deras exceptionella mekaniska och elektriska egenskaper gör dem idealiska för att utveckla enheter som gränsar till nervvävnader. Men de exakta mekanismerna bakom kolnanorör och deras effekt på neuroner förblir svårfångade. "
Alla kolnanorör är inte desamma. Jie Liu, Doktorsexamen, George Barth Geller professor i kemi vid Duke University och seniorförfattare till studien, utvecklat specifika kolnanorör som är utomordentligt rena. Kallas fåväggiga kolnanorör, de har överlägsna egenskaper jämfört med sina kommersiellt tillgängliga motsvarigheter.
Duke -forskare började med att mäta om kolnanorör hade toxiska eller negativa effekter på levande vävnad. Studerar neuroner odlade från gnagare, representerar en "hjärnbark i en skål, "de hittade motsatsen. Att utsätta cellerna för kolnanorör tycktes ha en närande effekt på neuronerna, gör dem större och starkare.
"Tidigare studier har tittat på beteendet hos kolnanorör på neuroner. Men orenheten i nanorören påverkade resultaten avsevärt. Efter att vi utvecklat rena fåväggiga kolnanorör i vårt labb, vi upptäckte att nanorör faktiskt påskyndade tillväxten av neuroncellerna avsevärt, "sa Liu.
Neurala kretsar kan skadas av förhöjd klorid i neuroner. Ett antal sjukdomar involverar sådan neuralkretsskada, inklusive kronisk smärta, epilepsi, och traumatisk hjärnskada.
Låga nivåer av klorid inom neuroner upprätthålls av ett kloridtransportörprotein som kallas KCC2, som fungerar genom att vända ut kloridjoner ur cellen. I mogna neuroner, det finns ingen säkerhetskopia för den här funktionen.
De omogna neuroner som odlats i Liedtkes laboratorium hade höga halter av klorid, men när cellerna mognade, deras kloridnivåer sjönk när KCC2 ökade. När neuronerna utsattes för kolnanorör, cellerna mognade mycket snabbare, och kloridhalterna sjönk snabbare. Forskare fick veta att yngre celler som utsätts för kolnanorör producerade mer KCC2 -protein.
"Kolnanorör förbättrade regleringen av klorid i neuroner till normala nivåer. Dessa förändringar är av enorm betydelse för cellen, "Sa Liedtke.
Ökningen av KCC2 -protein var också kopplad till en ökning av kalcium i neuronerna. De ökade kalciumnivåerna aktiverade ett protein som finns i hjärnan som kallas CaMKII som signalerar en neuron att göra mer KCC2.
Liknande resultat observerades i mössens hjärnor, eftersom kolnanorören föranledde en ökning av KCC2 -genens aktivitet, vilket tyder på att de få väggiga kolnanorören påverkar genreglering av KCC2.
Dessa fynd kan leda till utvecklingen av en ny generation av neurala tekniska enheter som använder kolnanorör. Befintliga enheter som modulerar nervcellernas funktion använder elektriska system som går tillbaka flera decennier.
"Vi hoppas att kolnanorör fungerar lika bra i skadade nerver som de gjorde i vår studie av att utveckla neuroner, "Liedtke fortsatte." Användningen av kolnanorör är bara i sin linda, och vi är glada över att få vara en del av ett utvecklingsfält med så mycket potential. "
