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Jun 17, 2023

Ritratto di comunicazioni intense all'interno delle reti neurali microfluidiche

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 12306 (2023) Cita questo articolo 1882 Accessi 4 dettagli sulle metriche alternative Le reti di modelli in vitro potrebbero fornire modelli cellulari di rilevanza fisiologica

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Le reti di modelli in vitro potrebbero fornire modelli cellulari di rilevanza fisiologica per riprodurre e studiare la funzione di base dei circuiti neurali su un chip in laboratorio. Negli ultimi dieci anni sono stati sviluppati diversi strumenti e metodi per costruire reti neurali su un chip; tra questi, i circuiti microfluidici sembrano essere un approccio molto promettente. Uno dei numerosi vantaggi di questo approccio è che preserva nel tempo compartimenti somatici e assonali stabili grazie a barriere fisiche che impediscono al soma di esplorare aree indesiderate e guidano i neuriti lungo percorsi definiti. Di conseguenza, i compartimenti neuronali possono essere identificati e isolati e la loro interconnettività può essere modulata per costruire una rete neurale topologica (NN). Qui, abbiamo valutato la misura in cui il confinamento imposto dall'ambiente microfluidico può avere un impatto sullo sviluppo cellulare e modellare l'attività NN. A tale scopo, gli array di microelettrodi hanno consentito il monitoraggio dell'evoluzione a breve e medio termine dell'attivazione dei neuroni nel corso del periodo di coltura in posizioni specifiche nelle reti organizzate (microfluidiche) e casuali (di controllo). In particolare, abbiamo valutato il tasso di picco e di scoppio, nonché le correlazioni tra i treni di picchi estratti nelle prime fasi di maturazione. Questo studio ci ha permesso di osservare intense comunicazioni di neuriti che sarebbero state più deboli e più ritardate all'interno di reti casuali; la velocità dei picchi, il burst e le correlazioni si rafforzano nel tempo in termini di numero e ampiezza, superando le caratteristiche elettrofisiologiche delle colture standard. Oltre alla maggiore efficienza di rilevamento prevista dai canali microfluidici, il confinamento delle cellule sembra rafforzare le comunicazioni neurali e lo sviluppo cellulare in tutta la rete.

I sistemi modello in vitro sono di primario interesse per fornire un'architettura neurale definita dall'utente e per studiare l'organizzazione e i processi cellulari in laboratorio. A tale scopo, sono stati sviluppati diversi metodi per costruire reti neurali fisiologicamente rilevanti da colture cellulari planari1,2,3 a colture cellulari 3D4 e organi su chip5,6,7. Questi approcci sono riusciti a isolare su un chip meccanismi cellulari specifici che potrebbero rimanere trascurati in vivo.

Il primo metodo, che consiste in colture di neuroni dissociati, presenta numerosi vantaggi. Sebbene la struttura dei tessuti sia in gran parte perduta, è possibile ottenere un elevato grado di controllo biochimico e biofisico, in concomitanza con l'accoppiamento miniaturizzato e altamente efficiente con dispositivi elettrici per registrazioni a lungo termine. Una limitazione di tali modelli è l'organizzazione casuale di somi e neuriti. Ciò complica l'osservazione delle stesse cellule o neuriti durante il loro sviluppo e impedisce di valutare la plasticità della rete. Inoltre, popolazioni diverse non possono essere separate, il che limita lo studio solo alla comunicazione intrapopolazione. Pertanto, diversi studi hanno tentato di strutturare le reti neuronali in vitro confinando la posizione del soma e la crescita dei neuriti, fornendo un modo adeguato per studiare i singoli neuroni e la loro interazione nel corso delle settimane. Innanzitutto, la combinazione di polimeri adesivi e repellenti ha consentito la guida dei neuroni lungo schemi definiti e ha portato alle prime architetture funzionali costruite in laboratorio8,9,10. Sebbene questo approccio sia riuscito a isolare e connettere un piccolo numero di cellule, rimangono delle sfide nella strutturazione di grandi popolazioni. Inoltre, i neuroni possono ancora raggiungere le aree indesiderate dopo un paio di settimane. Pertanto, sono state sviluppate microstrutture per fornire ulteriori barriere fisiche e impedire la migrazione delle cellule mobili11. Tra questi, i circuiti microfluidici basati su PDMS sono emersi come strumenti altamente versatili che forniscono molte proprietà adatte per posizionare, coltivare e interfacciare grandi popolazioni di neuroni12,13. Fin dalle prime dimostrazioni, la microfluidica basata su PDMS è stata utilizzata per modellare circuiti cerebrali su un chip14,15,16,17, nonché per l'analisi di singoli neuroni18,19,20,21,22. Questo approccio combina rivestimento adesivo neuronale e barriere fisiche per un'adesione cellulare efficiente e architetture stabili nel tempo13,23,24,25,26 mantenendo un'elevata trasparenza ottica per l'imaging ad alta risoluzione27,28. Inoltre, i dispositivi microfluidici possono essere assemblati con qualsiasi substrato, compresi gli array di dispositivi elettrici4,29,30,31,32,33,34 per monitorare l'attività della stessa cellula e il modo in cui la sua attività si evolve nel tempo. In effetti, questa combinazione soddisfa condizioni essenziali, che sono il mantenimento a lungo termine del circuito neurale definito35,36 e un efficiente accoppiamento neurone-dispositivo37,38,39,40.