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

研究人員對該設(shè)備中的神經(jīng)元進(jìn)行基因改造，使其對光照做出反應(yīng)。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(xì)胞，發(fā)送信號激發(fā)肌肉纖維。研究人員還測量了設(shè)備內(nèi)肌肉在被激發(fā)后抽搐或收縮的力量。

該研究結(jié)果2016年8月3日在線發(fā)表于《Science Advances》期刊，可能幫助科學(xué)家們理解并識別藥物以治療肌萎縮側(cè)索硬化（ALS，即盧伽雷氏癥）和其他神經(jīng)肌肉相關(guān)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(lǐng)導(dǎo)該研究的MIT機(jī)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(dòng)”。Sebastien Uzel現(xiàn)在是哈佛大學(xué)Wyss研究所博士后。

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

“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(gòu)造了一種微流控設(shè)備，該設(shè)備具有兩個(gè)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(nèi)的自然分離狀態(tài)。研究人員將肌肉和神經(jīng)元細(xì)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(tuán)隊(duì)使用了獲得自小鼠的肌肉前體細(xì)胞，隨后將其分化成肌肉細(xì)胞。他們將細(xì)胞注入微流控隔間，細(xì)胞會(huì)在隔間內(nèi)生長并融合形成單個(gè)肌條。同樣的，他們從干細(xì)胞分化出運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，然后將所獲得的神經(jīng)細(xì)胞聚合體放置在第二個(gè)隔間中。在分化兩種細(xì)胞之前，研究人員使用光遺傳學(xué)（optogenetics）技術(shù)對神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行了基因改造。

該研究共同作者、MIT機(jī)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(xì)胞”。在這樣的狹小空間里，電極無法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

最后，研究人員為該設(shè)備添加了另一個(gè)特性：力傳感。為了測量肌肉收縮，他們在肌肉細(xì)胞隔間內(nèi)構(gòu)造了兩個(gè)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(huì)被擠壓在一起，形成位移，研究人員能夠測量這些位移并轉(zhuǎn)換為機(jī)械力。

在測試該設(shè)備的實(shí)驗(yàn)中，Uzel和同事們首次觀察到神經(jīng)元在三維區(qū)域內(nèi)向肌肉纖維伸展軸突。在觀察到軸突建立連接時(shí)，他們用微小的藍(lán)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(shí)驗(yàn)，Kamm說，這種微流控設(shè)備可能作為神經(jīng)肌病藥物測試卓有成效的試驗(yàn)場，甚至可以根據(jù)個(gè)體患者進(jìn)行定制。

“你可能從ALS患者獲得多能細(xì)胞，將它們分化成肌肉和神經(jīng)細(xì)胞，并且為特定患者制造整個(gè)系統(tǒng)”Kamm說，“然后你能夠根據(jù)需要多次復(fù)制，同時(shí)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。”

另一方面，他說，該設(shè)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(xué)家們能夠研究重復(fù)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(fù)雜的模型”Kamm說，“神經(jīng)肌肉接頭是另一個(gè)現(xiàn)在可以被納入測試模式的單位”。