Выращенная в чашке Петри скелетная мышца проливает свет на нервно-мышечные заболевания

Исследователи-биоинженеры из USC Viterbi создали мощную лабораторную модель, чтобы лучше изучить, как соединяются наши мышцы и нейроны, в борьбе с такими болезнями, как БАС.

Нервно-мышечные заболевания, такие как БАС и рассеянный склероз, являются инвалидизирующими и в основном неизлечимыми, поражая 160 из каждых 100 000 человек в мире. Они нарушают функцию мышц, вызывая их истощение и потерю моторных функций. Главным препятствием в борьбе с этими болезнями была сложность выращивания в лаборатории ткани, демонстрирующей связь между мышцами и контролирующими их нейронами. До сих пор.

Аспиранты-биоинженеры Школы инженерии USC Viterbi создали значительно улучшенную новую модель ткани, выращенной в лаборатории, которая обеспечивает более стабильный обзор нервно-мышечного синапса — важной части нашей системы, которая преобразует электрические импульсы от нейронов спинного мозга в электрическую активность и движение мышечных волокон.

Исследование опубликовано в APL Bioengineering под руководством Джеффри Сантосо, аспиранта Лаборатории инженерии живых систем, возглавляемой доцентом Меган Маккейн.

Сантосо пояснил, что нервно-мышечный синапс — это высокоструктурированное соединение со складками, похожими на крендель, которые увеличивают площадь для коммуникации между нейроном и мышцей.

"Нервно-мышечный синапс — это пространство, где нейрон высвобождает сигнальные молекулы, называемые нейротрансмиттерами. Они связываются с рецепторами на поверхности мышечных волокон, что вызывает деполяризацию мышечной клетки — изменение напряжения — и, как следствие, сокращение мышц".

При нервно-мышечных заболеваниях, а также в процессе естественного старения, часто возникает стресс или разрыв связи в нервно-мышечном синапсе. Точные модели тканей, выращенных в лаборатории, критически важны для понимания возрастной дегенерации, прогрессирования болезни и поиска эффективных методов лечения. Однако исследователям долгое время не удавалось воспроизвести эту сложную точку иннервации в лабораторных моделях при совместном выращивании мышечных волокон и нейронов.

"Традиционно, когда мышцы и нейроны выращивают вместе в чашке, ожидаемая структура в точке иннервации отсутствует. Это приводит к созданию функционально неполноценной ткани, которая не отражает правильную физиологию, что затрудняет выводы о заболеваниях и потенциальных лекарствах".

В результате предыдущие модели тканей, как правило, погибали через две недели. Чтобы создать более полезную модель, Сантосо и его соавторы разработали гелевую платформу на основе желатина, которая позволяет скелетной мышце расти в лаборатории в правильной выровненной архитектуре. Такая ткань сохраняет структуру как минимум месяц и генерирует сокращения, сопоставимые по силе с нативной человеческой тканью.

"Когда вы пытаетесь вырастить ткань в лаборатории, обычно мышечные клетки выращивают слоем, а нейронные клетки помещают сверху. Формирующийся синапс не создаёт структуры этих складок, похожих на крендель. Это вызывает ряд проблем, поскольку ткань может не реагировать на определённые лекарства так, как ожидается".

Когда команда Сантосо объединила свою выращенную в лаборатории скелетную мышцу с моторными нейронами, полученными из стволовых клеток, на своей желатиновой платформе, они обнаружили, что в мышце успешно сформировались более структурированные нервно-мышечные синапсы.

Сантосо отметил, что в предыдущих моделях часто использовались жёсткие пластиковые или стеклянные чашки, которые не обеспечивали правильной белковой среды для ткани и часто вызывали отслоение мышечных клеток при сокращении, приводя к их гибели.

"Желатиновый гидрогель, который мы используем, как натуральный биоматериал, естественным образом адгезивен к клеткам скелетных мышц. Это одна из причин, почему наша модель ткани смогла созреть гораздо дальше, чем многие предыдущие модели. Скелетная мышца может выживать на поверхности дольше, и это увеличенное время культивирования означает, что при введении моторных нейронов в культуру они могут полностью интегрироваться и создать нервно-мышечный синапс".

Сантосо подчеркнул, что изучение нервно-мышечных заболеваний особенно сложно из-за чрезвычайной сложности человеческой нервно-мышечной системы. Двигательные нейроны находятся в спинном мозге и должны пройти сложный путь соединений, чтобы достичь всех мышц тела.

"На этом пути есть так много мест, где что-то может пойти не так. Из-за этого лабораторная модель должна быть довольно близка по функции и структуре к тому, что наблюдается у живых существ".

Исследовательская группа теперь планирует расширить круг сотрудников, чтобы применять свою платформу для моделей тканей к клеткам, полученным от пациентов.

"В настоящее время для нервно-мышечных заболеваний существуют в основном только паллиативные методы лечения, которые могут лишь отсрочить тяжесть некоторых симптомов. Нет хорошего способа обратить или предотвратить повреждение. Создание таких моделей и попытка выяснить механизмы заболевания могут дать нам лучшее представление о том, как разработать методы терапии для более эффективного облегчения симптомов или, в идеале, для их устранения".