De connectie tussen spieren en zenuwen nabootsen

Nieuwe chip kan geneesmiddelen tegen ALS en andere neuromusculaire aandoeningen helpen te testen.

MIT-ingenieurs hebben een microvloeistofapparaat ontwikkeld dat het neuromusculaire trefpunt nabootst - de vitale connectie waar zenuwen en spieren elkaar treffen. Het apparaat is ongeveer zo groot als een stuk van 50 eurocent en bevat één enkele spierstrip en een klein aantal motorneuronen. Onderzoekers kunnen de interactie tussen beide beïnvloeden en observeren in een realistische driedimensionale matrix.

De onderzoekers brachten dusdanige genetische wijzigingen aan in de neuronen in het apparaat dat ze reageren op licht. Door het licht rechtstreeks op de neuronen te laten schijnen, kunnen ze deze cellen op exacte wijze stimuleren. De cellen versturen dan op hun beurt signalen om het spierweefsel te prikkelen. De onderzoekers maten ook de kracht die de spier uitoefent in het apparaat terwijl die bij wijze van respons trilt en samentrekt.

De resultaten van het team werden vandaag online gepubliceerd in Science Advances en kunnen bijdragen aan een beter begrip en een betere identificatie van geneesmiddelen om amyotrofische laterale sclerose (ALS) en andere neuromusculaire aandoeningen te behandelen.

"Het neuromusculaire trefpunt is betrokken bij heel wat verwoestende en soms uiterst agressieve en fatale aandoeningen, waarover nog veel te ontdekken valt", zegt Sebastien Uzel, die het werk in goede banen leidde als graduaatstudent van het Departement Mechanische Toegepaste Technologie van het MIT (Massachusetts Institute of Technology; Technologisch Instituut van Massachusetts). "Door in vitro neuromusculaire trefpunten te vormen, hopen we een beter begrip te krijgen van het functioneren van bepaalde ziektes."

Tot de coauteurs behoren Roger Kamm - Cecil en Ida Green vooraanstaand professor Mechanische en Biologische Toegepaste Technologie aan het MIT -, gewezen graduaatstudent en huidig postdoctoraal researcher Randall Platt, onderzoekswetenschapper Vidya Subramanian, gewezen bacheloronderzoeker Taylor Pearl, senior postdoctoraal researcher Christopher Rowlands, gewezen postdoctoraal researcher Vincent Chan, geassocieerd professor Biologie Laurie Boyer en professor Mechanische en Biologische Toegepaste Technologie Peter So.

De werkelijkheid zo goed mogelijk nabootsen

Sinds de jaren '70 hebben onderzoekers een brede waaier van manieren bedacht om het neuromusculaire trefpunt in het laboratorium te simuleren. Bij de meeste van deze experimenten worden spierweefsel en zenuwcellen gekweekt in ondiepe petrischalen of op kleine glazen substraten. Zulke omgevingen zijn echter absoluut niet te vergelijken met het lichaam, waar spieren en neuronen leven in complexe, driedimensionale omgevingen en vaak door lange afstanden gescheiden zijn.

"Neem nu een giraf", zegt Uzel, die momenteel postdoctoraal researcher is aan het Wyss Instituut van de Universiteit van Harvard. "Bij dat dier versturen neuronen die voorkomen in het ruggenmerg axonen over zeer lange afstanden naar de spieren in de benen."

Om meer realistische in vitro neuromusculaire trefpunten te creëren, ontwierpen Uzel en zijn collega's een microvloeistofapparaat met twee belangrijke kenmerken: een driedimensionale omgeving en compartimenten die spieren van zenuwen scheiden om hun natuurlijke scheiding in het menselijk lichaam na te bootsen. De onderzoekers plaatsten de spier- en neuronencellen in de compartimenten, die een millimeter groot zijn en die ze daarna opvulden met gel om een driedimensionale omgeving na te bootsen.

Licht en beweging

Om spierweefsel aan te maken, gebruikte het team spiervoorlopercellen van muizen, die ze dan differentieerden naar spiercellen. Ze injecteerden de cellen in het microvloeistofcompartiment, waar de cellen groeiden en zich aaneensloten tot één enkele spierstrip. Op gelijkaardige wijze differentieerden ze motorneuronen afkomstig van een cluster van stamcellen en brachten ze het resulterende aggregaat van neurale cellen in het tweede compartiment in. Alvorens beide celtypes te differentiëren, werden de neurale cellen dusdanig genetisch gewijzigd dat ze op licht reageerden, met behulp van een intussen gangbare techniek die optogenetica wordt genoemd.

Kamm stelt dat licht "exacte controle mogelijk maakt van de cellen die je wilt activeren", terwijl je met elektrodes in zo'n beperkte ruimte ongewild ook andere cellen dan de doelcellen kunt stimuleren.

Tot slot voegden de onderzoekers nog één element toe aan het apparaat: het meten van kracht. Om spiersamentrekkingen te meten, plaatsten ze in het compartiment van de spiercellen twee minuscule en flexibele zuiltjes, waaromheen het groeiende spierweefsel zich kon wentelen. Bij elke spiercontractie trekken de zuiltjes samen en deze verplaatsing kan door de onderzoekers worden gemeten en worden omgezet in mechanische kracht.

Bij experimenten om het apparaat te testen, observeerden Uzel en zijn collega's eerst dat neuronen axonen uitstrekten in de richting van het spierweefsel in de driedimensionale zone. Eenmaal ze vaststelden dat een axon een verbinding had gemaakt, stimuleerden ze het neuron met een minuscule blauwe lichtflits, waarop onmiddellijk een spiersamentrekking volgde.

"Een lichtflits brengt beweging voort", aldus Kamm.

Afgaande op deze experimenten beweert Kamm dat het microvloeistofapparaat een vruchtbare testbodem kan zijn voor geneesmiddelen om neuromusculaire aandoeningen te behandelen en zelfs kan worden toegesneden op individuele patiënten.

"Het is mogelijk om pluripotente cellen te gebruiken van een ALS-patiënt, ze te differentiëren naar spier- en zenuwcellen, en een volledig systeem uit te bouwen voor die specifieke patiënt", stelt Kamm. "Je kunt het kopiëren zoveel je maar wilt en er verschillende geneesmiddelen of combinaties van therapieën op uitproberen om na te gaan wat het beste werkt om de connectie tussen zenuwen en spieren te verbeteren."

Anderzijds kan het apparaat volgens hem nuttig zijn bij het "modeleren van oefenprotocollen". Door bijvoorbeeld spiervezels te stimuleren op variërende frequenties kunnen wetenschappers bestuderen hoe herhaalde stressfactoren een invloed hebben op de prestaties van de spieren.

"Dankzij alle nieuwe microvloeistofbenaderingen die worden ontwikkeld, kunnen we beginnen met het opzetten van meer complexe systemen met neuronen en spieren", aldus nog Kamm. "Het neuromusculaire trefpunt is een nieuw middel dat onderzoekers nu kunnen inschakelen in deze testmodaliteiten."

Vertaling: Bart De Becker

Bron: MIT News Office