Mycket liten, tunna mikrorör kan ge en ställning för neuronkulturer att växa så att forskare kan studera neurala nätverk, deras tillväxt och reparation, ge insikter om behandling av degenerativa neurologiska tillstånd eller återställa nervförbindelser efter skada.

Forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign och University of Wisconsin-Madison skapade mikrorörplattformen för att studera neurontillväxt. De hävdar att mikrorören en dag kan implanteras som stenter för att främja återväxt av neuron på skadeställen eller för att behandla sjukdomar.

"Detta är en kraftfull tredimensionell plattform för neuronkultur, "sa Xiuling Li, U. av I. professor i el- och datateknik som ledde studien tillsammans med UW-Madison-professor Justin Williams. "Vi kan vägleda, påskynda och mäta processen för neurontillväxt, allt på en gång."

Teamet publicerade resultaten i tidningen ACS Nano .

"Det finns många sjukdomar som är mycket svåra att räkna ut mekanismerna i i kroppen, så att människor växer kulturer på plattformar så att vi kan se dynamiken under ett mikroskop, "sade U. av I. doktorand Paul Froeter, studiens första författare. "Om vi ​​kan se vad som händer, förhoppningsvis kan vi ta reda på orsaken till bristen och åtgärda den, och senare integrera det i kroppen. "

Den största utmaningen för forskare som försöker odla neuroner för studier är att det är mycket svårt att återskapa det mysiga, mjuk, hjärnans tredimensionella miljö. Andra tekniker har använt glasplattor eller kanaler ristade i hårda materialplattor, men nervcellerna ser ut och beter sig annorlunda än de skulle göra i kroppen. Mikrorören ger en tredimensionell, smidig ställning, hur den cellulära matrisen gör i kroppen.

Teamet använder en rad mikrorör, tillverkad med en teknik som föregick i Li:s laboratorium för elektronikapplikationer som 3D-induktorer. Mycket tunna membran av kiselnitrid rullar ihop sig till rör med exakta dimensioner. Rören är ungefär lika breda som cellerna, så länge ett människohår är brett, och åtskilda ungefär så långt de är långa. Neuronerna växer längs och genom mikrorören, skicka ut undersökande armar över luckorna för att hitta nästa rör.

Froeter tänkte ut ett sätt att montera mikrorören på glasskivor, standarden för biologiska kulturer. De tunna kiselnitridrören är transparenta, så forskare kan titta på de levande neuroncellerna när de växer med ett konventionellt mikroskop.

"Att ha förmågan att se igenom både röret och det underliggande substratet har varit riktigt upplysande, "sa Williams, professor i biomedicinsk teknik vid UW-Madison. "Utan detta kan vi ha märkt en övergripande ökning av tillväxttakten, men vi skulle aldrig ha observerat de dramatiska förändringar som uppstår när cellerna övergår från de plana områdena till rörets inlopp. "

Mikrorören ger inte bara struktur för det neurala nätverket, vägledande anslutningar, men också påskynda nervcellernas tillväxt - och tiden är avgörande för att återställa avbrutna förbindelser vid ryggmärgsskada eller återmontering av lemmar.

Eftersom de är så tunna, mikrorören är tillräckligt flexibla för att linda runt cellerna utan att skada eller platta dem. Forskarna fann att axonerna, de långa grenarna nervcellerna skickar ut för att skapa anslutningar, växa genom mikrorören som ett hölje - och upp till 20 gånger växthastigheten över luckorna.

"Det är inte förvånande att axonerna gillar att växa i rören, "Sa Williams." Det här är exakt de typer av utrymmen där de växer in vivo. Det som verkligen var förvånande var hur mycket snabbare de växte. Detta ger oss nu ett kraftfullt undersökningsverktyg när vi försöker ytterligare optimera rörstruktur och geometri. "

Mikrorörets matriser kan ställas in på alla dimensioner som behövs, eftersom nervceller varierar mycket i storlek från små hjärnceller till stora muskelkontrollerade nerver. Li och Froeter har redan skickat mikrorörsarrayer av olika dimensioner till andra forskargrupper som studerar neurala nätverk för olika tillämpningar.

För Lis grupp, nästa steg är att sätta elektroder i mikrorören så att forskare kan mäta de elektriska signalerna som nerverna leder.

"Om vi ​​placerar elektroder inuti röret, eftersom de är i direkt kontakt med axonen, vi kommer att kunna studera signalledning mycket bättre än konventionella metoder, "Sa Li.

De arbetar också med att stapla mikrorören i flera lager så att buntar av nerver kan växa i ett 3D-nätverk.

"Om vi ​​kan växa linjer av neuroner tillsammans i ett bunt, vi kan simulera vad som går ner i ryggraden eller till dina lemmar, "Sa Froeter." Då kan vi ta mogna kulturer och bryta dem, introducera sedan mikrorören och se hur de växer igen. "

"Det tar lång tid att komma till kliniken, men det är det som håller oss motiverade, "Sa Li.