Minuscule, des microtubes minces pourraient fournir un échafaudage pour que les cultures de neurones se développent afin que les chercheurs puissent étudier les réseaux neuronaux, leur croissance et leur réparation, fournir des informations sur le traitement des affections neurologiques dégénératives ou restaurer les connexions nerveuses après une blessure.

Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et de l'Université du Wisconsin-Madison ont créé la plate-forme de microtubes pour étudier la croissance des neurones. Ils postulent que les microtubes pourraient un jour être implantés comme des stents pour favoriser la repousse des neurones sur les sites de blessure ou pour traiter une maladie.

"Il s'agit d'une puissante plate-forme tridimensionnelle pour la culture de neurones, " dit Xiuling Li, U. of I. professeur de génie électrique et informatique qui a codirigé l'étude avec le professeur UW-Madison Justin Williams. "Nous pouvons guider, accélérer et mesurer le processus de croissance des neurones, tout à la fois."

L'équipe a publié les résultats dans la revue ACS Nano .

"Il y a beaucoup de maladies dont il est très difficile de comprendre les mécanismes dans le corps, pour que les gens cultivent des cultures sur des plateformes afin que nous puissions voir la dynamique au microscope, " a déclaré l'étudiant diplômé de l'U. of I. Paul Froeter, le premier auteur de l'étude. « Si nous pouvons voir ce qui se passe, j'espère que nous pourrons trouver la cause de la déficience et y remédier, et plus tard intégrer cela dans le corps."

Le plus grand défi auquel sont confrontés les chercheurs qui essaient de cultiver des neurones pour l'étude est qu'il est très difficile de recréer le confortable, mou, tendre, environnement tridimensionnel du cerveau. D'autres techniques ont utilisé des plaques de verre ou des canaux taillés dans des dalles de matériau dur, mais les cellules nerveuses ont une apparence et un comportement différents de ce qu'elles seraient dans le corps. Les microtubes fournissent un tridimensionnel, échafaudage souple, la façon dont la matrice cellulaire fait dans le corps.

L'équipe utilise un réseau de microtubes, fabriqué avec une technique mise au point dans le laboratoire de Li pour les applications électroniques telles que les inductances 3D. De très fines membranes de nitrure de silicium s'enroulent en tubes de dimensions précises. Les tubes sont à peu près aussi larges que les cellules, tant qu'un cheveu humain est large, et espacés d'autant qu'ils sont longs. Les neurones se développent le long et à travers les microtubes, envoyer des bras d'exploration à travers les lacunes pour trouver le prochain tube.

Froeter a conçu un moyen de monter les microtubes sur des lames de verre, la norme pour les cultures biologiques. Les tubes fins en nitrure de silicium sont transparents, afin que les chercheurs puissent observer les cellules neuronales vivantes pendant leur croissance à l'aide d'un microscope conventionnel.

"Avoir la capacité de voir à travers le tube et le substrat sous-jacent a été vraiment instructif, " dit Williams, professeur de génie biomédical à l'UW-Madison. "Sans cela, nous aurions peut-être remarqué une augmentation globale des taux de croissance, mais nous n'aurions jamais observé les changements dramatiques qui se produisent lorsque les cellules passent des régions plates aux entrées du tube. »

Les microtubes fournissent non seulement une structure pour le réseau neuronal, connexions de guidage, mais aussi accélérer la croissance des cellules nerveuses - et le temps est crucial pour rétablir les connexions rompues en cas de lésion de la moelle épinière ou de rattachement des membres.

Parce qu'ils sont si minces, les microtubes sont suffisamment flexibles pour s'enrouler autour des cellules sans les endommager ni les aplatir. Les chercheurs ont découvert que les axones, les longues branches que les cellules nerveuses envoient pour établir des connexions, croître à travers les microtubes comme une gaine - et jusqu'à 20 fois la vitesse de croissance à travers les interstices.

"Il n'est pas surprenant que les axones aiment se développer dans les tubes, " a déclaré Williams. "Ce sont exactement les types d'espaces où ils poussent in vivo. Ce qui était vraiment surprenant, c'est à quel point ils ont grandi plus vite. Cela nous donne désormais un outil d'investigation puissant alors que nous cherchons à optimiser davantage la structure et la géométrie des tubes. »

Les réseaux de microtubes peuvent être réglés à toutes les dimensions nécessaires, puisque les cellules nerveuses varient considérablement en taille, des petites cellules cérébrales aux gros nerfs contrôlant les muscles. Li et Froeter ont déjà envoyé des réseaux de microtubes de différentes dimensions à d'autres groupes de recherche étudiant les réseaux neuronaux pour diverses applications.

Pour le groupe de Li, la prochaine étape consiste à placer des électrodes dans les microtubes afin que les chercheurs puissent mesurer les signaux électriques que les nerfs conduisent.

"Si nous plaçons des électrodes à l'intérieur du tube, puisqu'ils sont directement en contact avec l'axone, nous pourrons étudier la conduction du signal bien mieux que les méthodes conventionnelles, " dit Li.

Ils travaillent également à empiler les microtubes en plusieurs couches afin que des faisceaux de nerfs puissent se développer dans un réseau 3-D.

"Si nous pouvons faire croître des lignes de neurones ensemble dans un faisceau, nous pourrions simuler ce qui se passe dans votre colonne vertébrale ou dans vos membres, " Froeter a déclaré. "Alors nous pouvons prendre des cultures matures et les séparer, puis introduisez les microtubes et voyez comment ils repoussent."

« Arriver à la clinique prendra beaucoup de temps, mais c'est ce qui nous motive, " dit Li.