麻省理工學院（MIT）工程師們開發(fā)出一種復制神經(jīng)肌肉接頭（神經(jīng)和肌肉之間至關重要的連接）的微流控設備。該設備約有25美分硬幣大小，包含單個肌條和一小組運動神經(jīng)元。研究人員能夠在逼真的三維基質中影響和觀察兩者之間的相互作用。

研究人員對該設備中的神經(jīng)元進行基因改造，使其對光照做出反應。通過將光照之間投射到這些神經(jīng)元上，他們能夠精確刺激這些細胞，發(fā)送信號激發(fā)肌肉纖維。研究人員還測量了設備內肌肉在被激發(fā)后抽搐或收縮的力量。

該研究結果2016年8月3日在線發(fā)表于《Science Advances》期刊，可能幫助科學家們理解并識別藥物以治療肌萎縮側索硬化（ALS，即盧伽雷氏癥）和其他神經(jīng)肌肉相關疾病。

“神經(jīng)肌肉接頭涉及許多失能性疾病，其中有些是殘酷而致命的，還有很多尚未被發(fā)現(xiàn)”領導該研究的MIT機械工程系研究生Sebastien Uzel說，“我們希望能夠在體外形成神經(jīng)肌肉接頭，從而幫助我們理解某些疾病活動”。Sebastien Uzel現(xiàn)在是哈佛大學Wyss研究所博士后。

自1970年代以來，科學家們已經(jīng)提出了大量方法在實驗室中模擬神經(jīng)肌肉接頭。大部分這些實驗涉及在培養(yǎng)皿或小玻璃基板上生長肌肉和神經(jīng)細胞。但這樣的環(huán)境與動物體內狀態(tài)相去甚遠，在動物體內，肌肉和神經(jīng)細胞存活于復雜的三維環(huán)境中，并且通常距離較遠。

“想想長頸鹿”Uzel說，“脊髓神經(jīng)元所發(fā)出的軸突需要跨越非常大的距離才能與腿部肌肉連接。”

為了在體外重建更逼真的神經(jīng)肌肉接頭，Uzel和同事們構造了一種微流控設備，該設備具有兩個重要特性：1. 三維環(huán)境；2. 隔離肌肉和神經(jīng)的隔間，從而模擬兩者在人體內的自然分離狀態(tài)。研究人員將肌肉和神經(jīng)元細胞懸浮于隔間中，然后充滿凝膠以模擬三維環(huán)境。

為了生長肌肉纖維，研究團隊使用了獲得自小鼠的肌肉前體細胞，隨后將其分化成肌肉細胞。他們將細胞注入微流控隔間，細胞會在隔間內生長并融合形成單個肌條。同樣的，他們從干細胞分化出運動神經(jīng)元，然后將所獲得的神經(jīng)細胞聚合體放置在第二個隔間中。在分化兩種細胞之前，研究人員使用光遺傳學（optogenetics）技術對神經(jīng)細胞進行了基因改造。

該研究共同作者、MIT機械和生物工程Cecil and Ida Green特聘教授Roger Kamm說："光能夠讓你精確控制你想要激活的細胞”。在這樣的狹小空間里，電極無法實現(xiàn)這一點。

最后，研究人員為該設備添加了另一個特性：力傳感。為了測量肌肉收縮，他們在肌肉細胞隔間內構造了兩個微小的彈性支柱，位于肌肉纖維周圍并能夠被生長的肌肉纖維所包裹。隨著肌肉收縮，支柱會被擠壓在一起，形成位移，研究人員能夠測量這些位移并轉換為機械力。

在測試該設備的實驗中，Uzel和同事們首次觀察到神經(jīng)元在三維區(qū)域內向肌肉纖維伸展軸突。在觀察到軸突建立連接時，他們用微小的藍光激射刺激神經(jīng)元，并立即觀察到肌肉收縮。

“發(fā)射閃光，就能觀察到抽搐”Kamm說道。

根據(jù)這些實驗，Kamm說，這種微流控設備可能作為神經(jīng)肌病藥物測試卓有成效的試驗場，甚至可以根據(jù)個體患者進行定制。

“你可能從ALS患者獲得多能細胞，將它們分化成肌肉和神經(jīng)細胞，并且為特定患者制造整個系統(tǒng)”Kamm說，“然后你能夠根據(jù)需要多次復制，同時測試不同的藥物或療法的組合，查看哪種療法能夠最有效地改善神經(jīng)和肌肉之間的連接?！?/span>

另一方面，他說，該設備在“建模操作協(xié)議（modeling exercise protocols）”中可能是有用的。例如，通過以不同的頻率刺激肌肉纖維，科學家們能夠研究重復壓力如何影響肌肉的性能。

“現(xiàn)在，隨著所有這些新型微流控方法的開發(fā)，你能夠開始建立神經(jīng)元和肌肉的更復雜的模型”Kamm說，“神經(jīng)肌肉接頭是另一個現(xiàn)在可以被納入測試模式的單位”。