运动神经元(绿色)生长在骨骼肌(红色)的顶部。蓝色斑点显示的是细胞核。图片/南加州大学生命系统工程实验室
神经肌肉疾病使人衰弱，大多数无法治愈，全世界每10万人中就有160人患病。ALS和多发性硬化症等疾病会影响肌肉功能，导致肌肉损耗和运动功能丧失。对抗这些疾病的一个主要障碍是，众所周知，在实验室里培育出能够显示肌肉和控制肌肉的神经元之间联系的组织非常困难。直到现在。
生物医学工程博士在读bob国际首页登录南加州大学维特比工程学院他与南加州大学凯克医学院和南加州大学多恩西夫文理学院的研究人员合作，创建了一种极大改进的新型实验室生长组织模型，该模型提供了更稳定的神经肌肉连接点观点——神经肌肉连接点是我们系统的重要组成部分，它将脊椎神经元产生的电脉冲转化为肌肉纤维中的电活动和运动。
这项研究已经发表在APL生物工程由杰弗里·桑托索领导，他是美国科学院的博士生生命系统工程实验室，由梅根·麦凯恩她是Chonette早期职业生涯主席，生物医学工程、干细胞生物学和再生医学副教授。Santoso还与Justin Ichida的实验室合作，Justin Ichida是约翰道格拉斯法国阿尔茨海默氏症基金会干细胞生物学和再生医学副教授，也是纽约干细胞基金会-罗伯逊研究员，Dion Dickman是生物科学副教授。
桑托索说，神经肌肉连接处是一种高度结构化的连接，像椒盐卷饼一样的褶皱增加了神经元和肌肉之间交流的面积。
桑托索说:“神经肌肉连接处是神经元释放称为神经递质的信号分子的空间，神经递质随后会与位于肌肉纤维表面的受体结合。”“当这些分子附着在这些受体上时，它会导致肌肉细胞去极化——所以会有电压变化——这就是导致肌肉收缩的原因。”
上图:研究人员在明胶水凝胶上培养骨骼肌。在这里，他们测试了暴露于慢(抽搐)电刺激或高频率(破伤风)电刺激时各种组织收缩的强度。
在神经肌肉疾病中，以及在自然衰老过程中，神经肌肉连接处经常存在压力或连接断裂。拥有准确的实验室培养组织模型对于了解与年龄相关的变性或神经肌肉疾病的进展，以及最有效的治疗方法至关重要。然而，当研究人员试图将肌肉纤维和神经元一起生长时，他们一直在努力在实验室模型中复制这种复杂的连接或神经支配点。
“传统上，当肌肉和神经元在培养皿中一起生长时，神经支配点的预期结构是不存在的，”桑托索说，“导致一个功能不正常的组织，不能代表正确的生理机能，很难得出关于疾病和潜在药物的结论。”
因此，先前的组织模型往往会在两周后死亡。为了创建一个更有用的实验室模型，桑托索和他的合著者设计了一个基于明胶的凝胶平台，可以让骨骼肌在实验室中以适当的对齐结构生长，保持其结构至少一个月，并产生类似于天然人体组织强度的收缩。
桑托索说:“当你试图在实验室里培养组织时，通常需要在一层中培养肌肉细胞，然后把神经元细胞放在上面。”“形成的连接不会产生这些椒盐卷饼一样的褶皱结构，所以这会导致各种各样的问题，因为它可能不会像你预期的那样对某些药物产生反应。”
Santoso和他的团队将实验室培养的骨骼肌与一田实验室培养的人类干细胞来源的运动神经元结合起来。他们发现肌肉成功地形成了更结构化的神经肌肉连接，迪克曼实验室对此进行了描述。
桑托索说，以前的组织模型通常使用坚硬的塑料或玻璃器皿，不能为组织提供合适的蛋白质环境，经常导致肌肉细胞在收缩时脱落，导致细胞死亡。
桑托索说:“我们使用的明胶水凝胶作为一种天然生物材料，可以天然地粘附在骨骼肌细胞上，这也是我们能够看到我们的组织模型比许多其他先前的模型成熟得多的原因之一。”“骨骼肌可以在表面存活更长的时间，在培养中增加的时间意味着，当我们将运动神经元引入培养时，它可以完全融合，形成神经肌肉连接点。”
神经肌肉连接处:运动神经元以绿色表示。研究人员为乙酰胆碱受体添加了白色染色剂。这种独特折叠模式的重叠是结发展和可靠信号的关键。这种结构不容易形成没有较长的培养时间提供了新的明胶水凝胶工艺。图片/南加州大学生命系统工程实验室。
桑托索说，研究神经肌肉疾病尤其具有挑战性，因为人类的神经肌肉系统非常复杂。运动神经元位于我们的脊髓中，必须通过复杂的连接途径才能到达我们身体的所有肌肉。
桑托索说:“在这条道路上，有很多地方可能出错。”“正因为如此，与你在生物身上看到的相比，你需要实验室模型在功能和结构上非常接近。”
该项目最初由南加州大学的Eli和Edythe干细胞生物学和再生医学广泛创新奖资助给麦凯恩，一田和迪克曼实验室。
这个跨学科的研究团队现在正在寻求扩大他们的合作，这样他们就可以应用他们的工程组织平台，用患者来源的细胞来模拟各种人类疾病。
“目前，神经肌肉疾病只有姑息性治疗，他们只能延缓一些症状的严重程度。目前还没有扭转或防止这种损害的好方法。”Santoso说。“建立这种模型，并试图分析这种疾病的机制，可能会让我们更好地了解如何开发治疗方法，以更好地缓解症状，或者理想情况下，消除症状。”
2021年9月13日出版
最后更新于2022年11月11日
