Pequeno, microtubos finos podem fornecer uma estrutura para o crescimento de culturas de neurônios para que os pesquisadores possam estudar redes neurais, seu crescimento e reparo, produzindo insights sobre o tratamento de doenças neurológicas degenerativas ou restaurando as conexões nervosas após uma lesão.

Pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e da Universidade de Wisconsin-Madison criaram a plataforma de microtubo para estudar o crescimento de neurônios. Eles postulam que os microtubos poderiam um dia ser implantados como stents para promover o crescimento de neurônios em locais de lesão ou para tratar doenças.

"Esta é uma plataforma tridimensional poderosa para cultura de neurônios, "disse Xiuling Li, U. of I. professor de engenharia elétrica e da computação que co-liderou o estudo junto com o professor da UW-Madison, Justin Williams. "Podemos orientar, acelerar e medir o processo de crescimento dos neurônios, tudo de uma vez."

A equipe publicou os resultados no jornal ACS Nano .

"Existem muitas doenças que são muito difíceis de descobrir no corpo, para que as pessoas desenvolvam culturas em plataformas para que possamos ver a dinâmica sob um microscópio, "disse o estudante de graduação da Universidade de I. Paul Froeter, o primeiro autor do estudo. "Se pudermos ver o que está acontecendo, espero que possamos descobrir a causa da deficiência e remediá-la, e depois integrá-lo ao corpo. "

O maior desafio enfrentado pelos pesquisadores que tentam cultivar neurônios para estudo é que é muito difícil recriar o aconchegante, suave, ambiente tridimensional do cérebro. Outras técnicas usaram placas de vidro ou canais esculpidos em placas duras de material, mas as células nervosas têm aparência e comportamento diferente do que fariam no corpo. Os microtubos fornecem uma estrutura tridimensional, andaimes flexíveis, da mesma forma que a matriz celular funciona no corpo.

A equipe usa uma série de microtubos, feito com uma técnica pioneira no laboratório de Li para aplicações eletrônicas, como indutores 3-D. Membranas muito finas de nitreto de silício se enrolam em tubos de dimensões precisas. Os tubos são quase tão largos quanto as células, enquanto um cabelo humano for largo, e espaçados tanto quanto eles são longos. Os neurônios crescem ao longo e através dos microtubos, enviando braços exploratórios através das lacunas para encontrar o próximo tubo.

Froeter inventou uma maneira de montar os microtubos em lâminas de vidro, o padrão para culturas biológicas. Os tubos finos de nitreto de silício são transparentes, para que os pesquisadores possam observar as células neuronais vivas à medida que crescem usando um microscópio convencional.

"Ter a capacidade de ver através do tubo e do substrato subjacente foi realmente esclarecedor, "disse Williams, professor de engenharia biomédica na UW-Madison. "Sem isso, podemos ter notado um aumento geral nas taxas de crescimento, mas nunca teríamos observado as mudanças dramáticas que ocorrem à medida que as células passam das regiões planas para as entradas dos tubos. "

Os microtubos não fornecem apenas estrutura para a rede neural, conexões de orientação, mas também acelera o crescimento das células nervosas - e o tempo é crucial para restaurar as conexões cortadas no caso de lesão da medula espinhal ou recolocação do membro.

Porque eles são tão magros, os microtubos são flexíveis o suficiente para envolver as células sem danificá-las ou achatá-las. Os pesquisadores descobriram que os axônios, as longas ramificações que as células nervosas enviam para fazer conexões, crescem através dos microtubos como uma bainha - e em até 20 vezes a velocidade de crescimento através das lacunas.

"Não é surpreendente que os axônios gostem de crescer dentro dos tubos, "Williams disse." Esses são exatamente os tipos de espaços onde crescem in vivo. O que foi realmente surpreendente foi o quão mais rápido eles cresceram. Isso agora nos dá uma ferramenta de investigação poderosa enquanto procuramos otimizar ainda mais a geometria e a estrutura do tubo. "

Os arranjos de microtubos podem ser ajustados para quaisquer dimensões necessárias, uma vez que as células nervosas variam muito em tamanho, desde pequenas células cerebrais até grandes nervos que controlam os músculos. Li e Froeter já enviaram arranjos de microtubos de várias dimensões para outros grupos de pesquisa que estudam redes neurais para diversas aplicações.

Para o grupo de Li, o próximo passo é colocar eletrodos nos microtubos para que os pesquisadores possam medir os sinais elétricos que os nervos conduzem.

“Se colocarmos eletrodos dentro do tubo, uma vez que estão diretamente em contato com o axônio, seremos capazes de estudar a condução do sinal muito melhor do que os métodos convencionais, "Li disse.

Eles também estão trabalhando para empilhar os microtubos em várias camadas para que os feixes de nervos possam crescer em uma rede 3-D.

"Se pudermos fazer crescer linhas de neurônios juntos em um feixe, poderíamos simular o que está descendo pela sua espinha ou pelos seus membros, "Froeter disse." Então podemos pegar as culturas maduras e separá-las, em seguida, introduza os microtubos e veja como eles crescem novamente. "

"Chegar à clínica vai demorar muito, mas é isso que nos mantém motivados, "Li disse.