Home » Новый электропроводящий каркас из гидрогеля поддерживает дифференцировку нервных клеток

Новый электропроводящий каркас из гидрогеля поддерживает дифференцировку нервных клеток

Интерфейсы мозг-компьютер (BCI) в наши дни являются горячей темой, и такие компании, как Neuralink, стремятся создать устройства, которые соединяют человеческий мозг с машинами. через крошечные имплантированные электроды. Потенциальные преимущества BCI варьируются от улучшенного мониторинга мозговой активности у пациентов с неврологическими проблемами до восстановления зрения у слепых людей и предоставления людям возможности управлять машинами, используя только наш разум. Но основным препятствием для разработки этих устройств являются сами электроды — они должны проводить электричество, поэтому почти все они сделаны из металла. Металлы — не самые благоприятные для мозга материалы, поскольку они твердые, жесткие и не воспроизводят физическую среду, в которой обычно растут клетки мозга.

Эта проблема теперь имеет решение в новом типе электропроводящего каркаса из гидрогеля, разработанного в Институте Висса при Гарвардском университете, Гарвардской школе инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS) и Массачусетском технологическом институте. Каркас не только имитирует мягкое пористое состояние мозговой ткани, но и поддерживает рост и дифференцировку нейронных клеток-предшественников (NPC) человека в несколько различных типов клеток головного мозга на срок до 12 недель. О достижении сообщается в Передовые медицинские материалы.

Этот проводящий каркас на основе гидрогеля имеет большой потенциал. Его можно использовать не только для изучения формирования нейронных сетей человека. в пробирке, это также может позволить создавать имплантируемые биогибридные BCI, которые более легко интегрируются с тканью мозга пациента, улучшая их работу и снижая риск травм».

Кристина Тринидес, доктор философии, первый автор, бывшая аспирантка Wyss и SEAS, которая сейчас является научным сотрудником ETH Zürich.

Из одного много

Трингидес и ее команда создали свой первый электрод на основе гидрогеля в 2021 году, движимый желанием сделать более мягкие электроды, которые могли бы «течь», обнимая естественные изгибы, уголки и закоулки мозга. Хотя команда продемонстрировала, что их электрод хорошо совместим с тканью мозга, они знали, что наиболее совместимым веществом для живых клеток являются другие клетки. Они решили попытаться интегрировать живые клетки мозга в сам электрод, что потенциально могло позволить имплантированному электроду передавать электрические импульсы в мозг пациента. через более естественный межклеточный контакт.

Read more:  Когда клетка переваривает саму себя — разгадка происхождения нейродегенеративных заболеваний

Чтобы сделать их проводящий гидрогель более удобным местом для жизни клеток, они добавили в производственный процесс этап лиофилизации. Кристаллы льда, образовавшиеся во время сушки вымораживанием, заставили гидрогелевый материал концентрироваться в пространстве вокруг кристаллов. Когда кристаллы льда испарялись, они оставляли поры, окруженные проводящим гидрогелем, образуя пористый каркас. Эта структура гарантировала, что клетки будут иметь достаточную площадь поверхности для роста, а электропроводящие компоненты образуют непрерывный путь через гидрогель, доставляя импульсы ко всем клеткам.

Исследователи варьировали рецепты своих гидрогелей, чтобы создать каркасы, которые были либо вязкоупругими (например, Jell-O), либо эластичными (как резиновая лента), мягкими или жесткими. Затем они культивировали нейронные клетки-предшественники человека (NPC) на этих каркасах, чтобы увидеть, какая комбинация физических свойств лучше всего поддерживает рост и развитие нервных клеток.

Клетки, выращенные на гелях, которые были вязкоупругими и более мягкими, образовывали сети решетчатых структур на каркасе и дифференцировались во множество других типов клеток через пять недель. Клетки, которые культивировали на эластичных гелях, напротив, образовывали скопления, которые в основном состояли из недифференцированных NPC. Команда также варьировала количество проводящих материалов в гидрогелевом материале, чтобы увидеть, как это влияет на рост и развитие нейронов. Чем более проводящим был скаффолд, тем больше клеток образовывали разветвленных сетей (как они это делают). прямой эфир), а не комки.

Затем исследователи проанализировали различные типы клеток, которые развились в их каркасах из гидрогеля. Они обнаружили, что астроциты, которые поддерживают нейроны как физически, так и метаболически, образовывали свои характерные длинные выступы при выращивании на вязкоупругих гелях по сравнению с эластичными гелями, и их было значительно больше, когда вязкоупругие гели содержали больше проводящего материала. Олигодендроциты, которые создают миелиновую оболочку, изолирующую аксоны нейронов, также присутствовали в каркасах. На вязкоэластичных гелях было больше общего миелина и более длинных миелиновых сегментов, чем на эластичных гелях, и толщина миелина увеличивалась, когда в гелях присутствовало больше проводящего материала.

Read more:  Попробуйте Cyberpunk 2077 на консолях бесплатно на этих выходных

Часть (электрического) сопротивления

Наконец, команда применила электрическую стимуляцию к живым человеческим клеткам. через проводящие материалы внутри их каркаса из гидрогеля, чтобы увидеть, как это влияет на рост клеток. Клетки снабжались электричеством в течение 15 минут каждый день или через день. Через восемь дней каркасы, которые подвергались ежедневной пульсации, имели очень мало живых клеток, в то время как каркасы, которые подвергались пульсации через день, были полны живых клеток по всему каркасу.

После этого периода стимуляции клетки оставляли в каркасах в общей сложности на 51 день. Несколько клеток, оставшихся в каркасах, которые стимулировались ежедневно, не дифференцировались в другие типы клеток, в то время как каркасы, которые использовались через день, содержали высокодифференцированные нейроны и астроциты с длинными отростками. Изменение тестируемых электрических импульсов, по-видимому, не влияло на количество миелина, присутствующего в гелях.

«Успешная дифференциация человеческих NPC в несколько типов клеток мозга в наших каркасах является подтверждением того, что проводящий гидрогель обеспечивает им подходящую среду для роста. в пробирке— сказал старший автор Дэйв Муни, доктор философии, член основного факультета Института Висса. мозга». Муни также является семейным профессором биоинженерии Роберта П. Пинкаса в SEAS.

Tringides продолжает работу над проводящими каркасами из гидрогеля, планируя дальнейшее изучение того, как различные типы электрической стимуляции могут влиять на разные типы клеток, а также разработать более комплексный подход. в пробирке модель. Она надеется, что эта технология однажды позволит создать устройства, которые помогут восстановить функции у пациентов, страдающих неврологическими и физиологическими проблемами.

«Эта работа представляет собой большой шаг вперед, заключающийся в создании в пробирке микросреда с правильными физическими, химическими и электрическими свойствами для поддержки роста и специализации клеток человеческого мозга. Эта модель может быть использована для ускорения процесса поиска эффективных методов лечения неврологических заболеваний, а также для открытия совершенно нового подхода к созданию более эффективных электродов и интерфейсов мозг-машина, которые легко интегрируются с нейронными тканями. Мы рады видеть, к чему приведет это инновационное слияние материаловедения, биомеханики и тканевой инженерии в будущем», — сказал директор-основатель Института Висса Дон Ингбер, доктор медицины, доктор философии. Ингбер также является Джуда Фолкман, профессор сосудистой биологии в Гарвардской медицинской школе и Бостонской детской больнице, а также Хансйорг Висс, профессор биоинженерии в МОРЕ.

Read more:  Galaxy S24 может снова подарить европейским поклонникам Samsung вал Exynos

Среди дополнительных авторов Маржолайн Булингр из SEAS, Эндрю Халил из Института Висса и Института Уайтхеда в Массачусетском технологическом институте, Тензин Лунгджангва из Института Уайтхеда и Рудольф Джениш из Института Уайтхеда и Массачусетского технологического института.

Источник:

Ссылка на журнал:

Трингидес, КМ, и другие. (2022) Настраиваемые проводящие гидрогелевые каркасы для дифференцировки нервных клеток. Передовые медицинские материалы. doi.org/10.1002/adhm.202202221.

Leave a Comment

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.