Erste mikroarray-basierte 3D neuronale Kulturplattform entwickelt
Die neuronale Entwicklung wird oft durch die abgestufte Verteilung von Leitmolekülen reguliert, die entweder die neuronale Migration oder die Neuritenprojektion anziehen oder abstoßen können, wenn sie in einem Format von Konzentrationsgradienten oder Chemotaxis dargestellt werden. Viele Details über den Prozess sind jedoch noch weitgehend unerforscht.
Die neue mikroarray-basierte 3D-Plattform zur Durchführung der chemotaktischen Experimente ermöglicht eine präzise und systematische Untersuchung der neuronalen Empfindlichkeit gegenüber der Steigung des Molekulargradienten
City University of Hong Kong
Rekonstruktion von Scan-Bildern, die die gesamte Gradientengenerierung in der neuen Vorrichtung zeigen
City University of Hong Kong
Neuronale Reaktion auf Sema3A-Gradienten mit abnehmender Steigung
City University of Hong Kong
Ein Forschungsteam der City University of Hong Kong (CityU) hat dieses Problem durch die Entwicklung eines neuen Gerätes präzise und systematisch angegangen und kürzlich seine Ergebnisse veröffentlicht.
Chemotaxis bezieht sich auf die Bewegung eines Organismus als Reaktion auf einen chemischen Reiz. Es ist bekannt, dass die Konzentrationsgradienten von Führungsmolekülen, wie Netrin- oder Semaphorin(Sema)-Proteine, eine entscheidende Rolle bei der embryonalen neuronalen Entwicklung spielen. Doch wie genau die physikalischen Profile molekularer Gradienten, z.B. die sich ändernde Rate der Konzentrationsprofile (Gradientensteilheit), Wechselwirkungen mit der neuronalen Entwicklung, sind längst eine offene Frage geblieben. Ein Teil des Grundes war der Mangel an 3D-Geräten, die wichtige Merkmale von Hirngeweben außerhalb des menschlichen Körpers wiedergeben können. Bisherige chemotaktische In-vitro-Assays sind oft 2D, mit niedrigem Durchsatz (d.h. sie müssen die Experimente mehrmals manuell wiederholen, um Daten für verschiedene Parameter zu sammeln) und fehlender Feingradientenkontrolle.
Daraufhin entwickelt das CityU-Team eine neue Plattform für die Durchführung der chemotaktischen Experimente. Sie haben eine hydrogelbasierte mikrofluidische Plattform für chemotaktische 3D-Hochdurchsatz-Assays entwickelt und damit die neuronale Empfindlichkeit gegenüber der Steigung des molekularen Gradienten untersucht, indem sie Licht auf den neuronalen Regenerationsmechanismus werfen, indem sie subtile Variationen in den Gradientenprofilen von Führungsmolekülen erkennen.
"Unser Chip misst nur 1 x 3 cm2, beherbergt aber Hunderte von suspendierten mikroskopisch kleinen Hydrogel-Zylindern, die jeweils ein ausgeprägtes Gradientenprofil enthalten, um das 3D-Wachstum neuronaler Zellen in einer Umgebung zu ermöglichen, die der in unserem Gehirn sehr ähnlich ist", sagt Dr. Shi Peng, Associate Professor am Department of Biomedical Engineering (BME) an der CityU, der die Forschung leitete.
"Der große Vorteil des Aufbaus ist der hohe Durchsatz, d.h. eine große Sammlung von molekularen Gradientenprofilen kann parallel mit einem einzigen Chip getestet werden, um eine große Datenmenge zu generieren, und die Experimentierzeit kann von Monaten auf 48 Stunden reduziert werden", erklärt er.
Mit der neuen Plattform und einer rigorosen statistischen Analyse hat das Team eine dramatische Vielfalt und Komplexität in der chemotaktischen Regulation der neuronalen Entwicklung durch verschiedene Leitmoleküle aufgezeigt. Insbesondere für Sema3A hat das Team festgestellt, dass zwei Signalwege, nämlich STK11 und GSK3, unterschiedlich an der Steilheit abhängigen chemotaktischen Regulation der koordinierten Neuritenabstoßung und neuronalen Migration beteiligt sind.
Basierend auf diesen Erkenntnissen zeigte das Team weiter, dass das Leitmolekül Sema3A nur dann von Nutzen ist, wenn es in der richtigen Gradientenform in einem verletzten Rattenhirn präsentiert wird.
"Im Falle einer Hirnverletzung regeneriert sich das Nervensystem nicht so leicht, so dass die richtige Verwendung von Führungsmolekülen dem Gehirn helfen würde, sich zu erholen. In diesem Zusammenhang liefert unsere Forschung Erkenntnisse für die Entwicklung neuartiger therapeutischer Strategien", schloss Dr. Shi.
Originalveröffentlichung
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