Нервные и мышечные клетки ускорили развитие друг друга

Ученые создали платформу, на которой можно выращивать одновременно культуру нейронов и искусственные мышцы. Отростки нервных клеток в такой системе росли по направлению к мышечной ткани, их спонтанная импульсация усилила сокращения мускульных волокон и способствовала их организации в саркомеры. Вещества, которые выделяли мышечные клетки, ускорили формирование электрической активности и ее синхронизацию между нейронами. Статья опубликована в журнале APL Bioengineering.

Современные технологии позволяют создавать гибридные механизмы, которые сочетают в себе «железо» и живые мышечные клетки. Этот прием используется в биоинженерии и робототехнике для создания подвижных модулей в маленьком масштабе. При этом в живых организмах мышцы всегда сопряжены с нервными клетками, которые координируют комплексные движения и адаптируют всю систему к меняющимся условиям среды. Применение природных нервно-мышечных контактов в биогибридных механизмах в перспективе может позволить им выполнять более сложные функции.

Моторные нейроны и мышечные волокна, которые они иннервируют, развиваются в тесной связи друг с другом. Этот двусторонний контакт опосредован веществами, которые выделяют клетки, и биофизическими взаимодействиями. Работают синхронно не только отдельные нервномышечные единицы, но и целые популяции нейронов — они координируют свою активность для управления движениями.

Ученые под руководством Онура Айдина (Onur Aydin) из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне создали платформу, на которой можно выращивать одновременно культуру нейронов и до четырех отдельных образцов тканей. В середину платформы высадили нейросферу — группу нервных клеток, которые дифференцировались из эмбриональных стволовых клеток мышей и содержали моторные нейроны.

В четыре боковых отсека поместили полоски скелетных мышц, которые развились из мышиных миобластов, фибробласты или бесклеточное вещество. Мышцы крепились к подвижным столбикам, которые регистрировали силу сокращения. Промежутки платформы заполняли внеклеточным матриксом, через который ткани разных отсеков могли взаимодействовать между собой.

Для того, чтобы проверить, как функционируют сформировавшиеся нервно-мышечные контакты, в мембране нейронов были встроены каналы опсины — при освещении в клетках возникало возбуждение, которое передавалось на моторную единицу.

Когда нейроны развиваются, поначалу в них возникает спонтанная активность в виде единичных электрических импульсов. Затем клетки начинают продуцировать высокочастотные группы сигналов, и в конце концов импульсация всей популяции начинает синхронизироваться. Однако в культуре такое развитие происходит очень медленно — даже на девятый день после высадки на среду с микроэлектродами активность нейронов невысока.

Ученые предположили, что на созревание нейронов могут влиять вещества, которые выделяют мыщцы. Для того, чтобы проверить эту гипотезу, нервные клетки высадили на культуру, в которой до этого росли мышцы и провели электрофизиологическое исследование их активности.

Отростки нейронов достигли мышечных клеток через два-три дня после того, как их начали совместно выращивать, а еще через два дня мускулы начали сокращаться в ответ на стимуляцию нервных клеток (до этого исследователи наблюдали только спонтанную мышечную активность). Аксоны росли в направлении миобластов предпочтительнее, чем к бесклеточному матриксу (p < 0,0005) или фибробластам (p < 0,005). Авторы пришли к выводу, что мышечные клетки выделяют в среду сигнальные молекулы, которые и привлекают нейроны.

Мышцы также испытывали влияние растущих на той же среде нейронов: их спонтанная активность была выше, а сокращения сильнее, чем в отдельной культуре (p < 0,05), начиная с пятого дня. Процент волокон, которые были организованы в саркомеры (поперечно-исчерченных), был также больше (p < 0,005), что видно при иммуногистохимическом окрашивании.

Электрическая активность нейронов, которые развились в среде из-под мышц, уже на пятый день была значительно выше, чем в контроле. К седьмому дню возникли синхронизированные в популяции импульсы.

Сведения о том, как нервномышечные системы развиваются и как их части влияют друг на друга, помогут для создания механизмов с искусственными мышцами. Например, для усовершенствования плавающего робота, который двигается на свету с помощью импульсов от нейронов. А еще эти знания можно использовать в медицине: нервные клетки помогают искусственным мышцам интегрироваться в тело живых организмов.

Алиса Бахарева