RU2814623C2 - Способ и устройство для интеграции нейрональных клеток в сформированную нейронную сеть с направленной связью in vitro - Google Patents
Способ и устройство для интеграции нейрональных клеток в сформированную нейронную сеть с направленной связью in vitro Download PDFInfo
- Publication number
- RU2814623C2 RU2814623C2 RU2021138541A RU2021138541A RU2814623C2 RU 2814623 C2 RU2814623 C2 RU 2814623C2 RU 2021138541 A RU2021138541 A RU 2021138541A RU 2021138541 A RU2021138541 A RU 2021138541A RU 2814623 C2 RU2814623 C2 RU 2814623C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- chamber
- integration
- neuronal cells
- source
- receiver
- Prior art date
Links
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 title claims abstract description 21
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 5
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 title description 3
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims abstract description 23
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims abstract description 21
- 210000003050 axon Anatomy 0.000 claims abstract description 10
- 230000000946 synaptic effect Effects 0.000 claims description 4
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 claims description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 7
- 230000004044 response Effects 0.000 description 7
- 238000002054 transplantation Methods 0.000 description 5
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 description 4
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 4
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 4
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 4
- 230000001537 neural effect Effects 0.000 description 3
- 208000018737 Parkinson disease Diseases 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 210000005013 brain tissue Anatomy 0.000 description 2
- 238000002659 cell therapy Methods 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000000971 hippocampal effect Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 201000006417 multiple sclerosis Diseases 0.000 description 2
- 208000024827 Alzheimer disease Diseases 0.000 description 1
- 208000016192 Demyelinating disease Diseases 0.000 description 1
- 206010012305 Demyelination Diseases 0.000 description 1
- 102000006386 Myelin Proteins Human genes 0.000 description 1
- 108010083674 Myelin Proteins Proteins 0.000 description 1
- 208000012902 Nervous system disease Diseases 0.000 description 1
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 description 1
- 210000004504 adult stem cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000003376 axonal effect Effects 0.000 description 1
- 210000002798 bone marrow cell Anatomy 0.000 description 1
- 210000004958 brain cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000006931 brain damage Effects 0.000 description 1
- 231100000874 brain damage Toxicity 0.000 description 1
- 208000029028 brain injury Diseases 0.000 description 1
- 210000005056 cell body Anatomy 0.000 description 1
- 210000003169 central nervous system Anatomy 0.000 description 1
- 238000012258 culturing Methods 0.000 description 1
- 210000005064 dopaminergic neuron Anatomy 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000004064 dysfunction Effects 0.000 description 1
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 description 1
- 210000003494 hepatocyte Anatomy 0.000 description 1
- 230000001900 immune effect Effects 0.000 description 1
- 229960003444 immunosuppressant agent Drugs 0.000 description 1
- 239000003018 immunosuppressive agent Substances 0.000 description 1
- 210000001259 mesencephalon Anatomy 0.000 description 1
- 210000005012 myelin Anatomy 0.000 description 1
- 210000003061 neural cell Anatomy 0.000 description 1
- 210000004248 oligodendroglia Anatomy 0.000 description 1
- 210000001428 peripheral nervous system Anatomy 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000008925 spontaneous activity Effects 0.000 description 1
- 210000000130 stem cell Anatomy 0.000 description 1
- 210000003523 substantia nigra Anatomy 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к биотехнологии. Представлено устройство для выращивания диссоциированных нейрональных клеток на основе микрофлюидных чипов совмещенных с микроэлектродными матрицами (МЕА), позволяющее интегрировать диссоциированные нейрональные клетки в сформированную нейронную сеть, состоящую из отдельных клеточных популяций, связанных слабой однонаправленной связью. Устройство содержит три изолированных камеры микрофлюидного чипа, связанных микроканалами ассиметричной формы, при этом высота микроканалов составляет 5-7 мкм, каналы, соединяющие камеру источник и камеру для интеграции, имеют длину 400 мкм и обеспечивают прорастание аксонов популяции-источника в камеру для интеграции за 5 суток. Изобретение обеспечивает высокую точность интеграции клеток в область слабой направленной связи между двумя подсетями нейрональных клеток. Также устройство компактно и совместимо со стандартными коммерческими микроэлектродными матрицами, что позволяет неинвазивно оценивать электрофизиологические характеристики каждого модуля. 6 ил.
Description
Уровень техники
Клеточная и тканевая биоинженерия одно из наиболее перспективных направлений медицины. Замещение поврежденных или не функционирующих клеток может стать методом лечения болезней, на сегодняшний день считающихся неизлечимыми. В целом клеточную терапию можно разделить на несколько направлений: трансплантация клеток-предшественников, взрослых стволовых клеток, трансплантация дифференцированных клеток, готовых к выполнению своих функций, и трансплантация генетически модифицированных клеток с исправленными дефектами.
При лечении заболеваний вызванных клеточными дефектами или генетическими отклонениями всегда необходимо учитывать ряд важных факторов:
• Во-первых, введение чужеродного клеточного материала вызывает иммунологическое отторжение. И даже при использовании «совместимого» материала реципиенты вынуждены принимать иммунодепрессанты в течение всей жизни.
• Во-вторых, возможность получить клетки донора физически ограничена - доступны лишь некоторые клеточные типы - например, клетки костного мозга, но доступное количество даже этих клеток может быть недостаточным для лечения. Если же говорить про нейроны, гепатоциты и другие специализированные клетки, то их практически невозможно получить.
• В-третьих, дифференцированные клетки взрослого организма чаще всего уже неспособны к делению, находятся в своей клеточной нише и непригодны для пересадки.
Заболевания нервной системы, связанные с нарушением функционирования и гибелью нейронов, такие как болезни Альцгеймера и Паркинсона, в настоящее время не поддаются лечению. Рассеянный склероз - болезнь, связанная с демиелинизацией аксонов в центральной и периферической нервной системе, также неизлечима. В то же время известно, что, например, признаком болезни Паркинсона является гибель дофаминергических нейронов в черной субстанции среднего мозга, а при рассеянном склерозе выработку миелина прекращают олигодендроциты. Клеточная терапия и трансплантация функциональных нейральных клеток являются перспективным подходом для лечения таких заболеваний.
Аналог
Известен патент на изобретение №2729814, дата приоритета: 27.12.2019 г. «УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАПРАВЛЕННОЙ СВЯЗИ МЕЖДУ ПОПУЛЯЦИЯМИ НЕЙРОНАЛЬНЬГХ КЛЕТОК», представляющий собой устройство для создания направленной связи между популяциями нейрональных клеток. Устройство включает связанных между собой микроканалами камеру-источник и камеру-приемник. Микроканал выполнен из нескольких секций треугольной формы, причем вершины треугольников предыдущих секций соединены с центрами оснований последующих секций, основания направлены в сторону камеры-источника, а вершины треугольников направлены в сторону камеры-приемника. Изобретение обеспечивает высокое качество направленной функциональной связи между популяциями нейрональных клеток, низкую вероятность передачи биоэлектрических импульсных сигналов в противоположном заданному направлении, возможность определения приблизительного расположения синаптических контактов между двумя соединенных заданной направленной связью популяциями клеток мозга in vitro и воздействия на отдельные группы аксонов электрическими стимулами. Недостатком данного изобретения является то, что чип включает две камеры для культивирования клеток, и микроканалы высотой 2-4 мкм между камерами, в которые прорастают отростки нейронов, но не попадают тела нейронов. Длина микроканалов более 200 мкм позволяет прорасти через них только аксонам, но не дендритам нейронов.
Задачей предлагаемого изобретения является моделирование восстановления ткани мозга со сложной структурой связей в результате интеграции диссоциированнных нейрональных клеток.
Технический результат достигается за счет культивирования диссоциированных нейрональных клеток в трех изолированных камерах микрофлюидного чипа, связанных микроканалами.
Предлагаемое изобретение, позволяет интегрировать диссоциированныенейрональные клетки в сформированную нейронную сеть с направленной связью invitro, может быть использовано в биологических лабораториях для моделирования восстановления ткани мозга со сложной структурой связей в результате интеграции диссоциированнных нейрональных клеток.
Предлагаемое изобретение основано на использовании платформы на основе микрофлюидных чипов, совмещеных с микроэлектродными матрицами (МЕА). Устройство предполагает направление растущих клеточных отростков в микроканалах (1) от одной популяции нейрональных клеток (популяция источник) (2) к другой (популяция приемник) (4) через среднюю камеру (камера для интеграции клеток) (3) и предотвращение роста аксонов в противоположном направлении, что позволяет создать нейронную сеть, состоящую из отдельных клеточных популяций, связанных слабой однонаправленной связью, и позволяет интегрировать клетки точно в область слабой связи между двумя популяциями.
Формирование популяций нейрональных клеток осуществляется за счет культивирования диссоциированных нейрональных клеток в трех изолированных камерах микрофлюидного чипа, связанных микроканалами (1). Малая высота микроканалов (5-7 мкм) позволяет отделить тела клеток от отростков и обеспечивает взаимосвязь нейрональных популяций только за счет синаптических связей, образованных отростками, растущих в микроканалах (1). Направленность связей обеспечивается асимметричной формой каналов (I). Каналы (I), соединяющие камеру источник (2) и камеру для интеграции(З), имеют длину 400 мкм и обеспечивают прорастание аксонов популяции-источника в камеру для интеграции (3) за 5 суток (более 95% микроканалов). Длина дендритов составляет менее 400 мкм, поэтому они не прорастают в камеру для интеграции (3). Связывающие камеру для интеграции (3) и камеру приемник (4) каналы (1) имеют длину 600 мкм и 4 ловушки, препятствующие росту аксонов из камеры приемника (4) в камеру для интеграции (3). Расстояние между камерой приемником (3) и камерой источником (2) не превышает 1200 мкм, что позволяет аксонам клеток из камеры источника прорастать до камеры приемника (4) и формировать синаптические связи. Посадка клеток в камеру для интеграции (3) осуществляется на 5-7 день после посадки в камеры источник (2) и приемник (4). (фиг. 1). На фиг. 2 изображены сравнительные графики, показывающие спонтанне. активность культуры клеток гиппокампа мышей в трехкамерном микрофлюидном чипе, а именно число сетевых импульсов в минуту в источнике (5), имплантате (6) и приемнике (7) соответственно. На фиг. 3 изображена спонтанная активность культуры клеток гиппокампа мышей в трехкамерном микрофлюидном чипе, а именно указано распространение сетевых импульсов в %, от источника в имплантат (8), и от имплантата в приемник (9), соответственно. На фиг. 4, изображен сравнительный график задержки распространения сетевых импульсов, мс, от источника в имплантат (10), от имплантата в приемник (11). На фиг. 5 изображены графики распространения ответов на стимулы между модулями нейронной сети в трехкамерном чипе, а именно число импульсов в интервале 2 мс в гистограмме ответов на стимулы (PSTH); ответ в имплантате на стимуляцию источника (12), ответ в имплантате на стимуляцию приемника (13). На фиг. 6 изображены графики распространения ответов на стимулы между модулями нейронной сети в трехкамерном чипе, а именно число импульсов в интервале 2 мс (PSTH); ответ в приемнике на стимуляцию источника (14), ответ в источнике на стимуляцию Приемнике (15).
Предлагаемое устройство обеспечивает высокую точность интеграции клеток в область слабой направленной связи между двумя подсетями нейрональных клеток. Устройство компактно и совместимо со стандартными коммерческими микроэлектродными матрицами, что позволяет неинвазивно оценивать электро физиологические характеристики каждого модуля.
Подсадка клеток в камеру для интеграции (3) может проводиться на 5-7 день культивирования клеток в камерах источнике и приемнике и приводит к формированию однонаправленного распространения сетевой биоэлектрической активности от популяции источника через интегрированные клетки в популяцию приемник. Такая экспериментальная платформа позволяет моделировать восстановление функциональной структуры нейронных сетей после повреждения головного мозга.
Claims (1)
- Устройство для выращивания диссоциированных нейрональных клеток на основе микрофлюидных чипов совмещенных с микроэлектродными матрицами (МЕА), позволяющее интегрировать диссоциированные нейрональные клетки в сформированную нейронную сеть, состоящую из отдельных клеточных популяций, связанных слабой однонаправленной связью, отличающееся тем, что содержит три изолированных камеры микрофлюидного чипа, связанных микроканалами ассиметричной формы, при этом высота микроканалов составляет 5-7 мкм, каналы соединяющие камеру источник и камеру для интеграции, имеют длину 400 мкм и обеспечивают прорастание аксонов популяции-источника в камеру для интеграции за 5 суток, при этом связывающие камеру для интеграции и камеру-приемник каналы имеют длину 600 мкм и 4 ловушки, препятствующие росту аксонов из камеры приемника в камеру для интеграции, расстояние между камерой приемником и камерой источником не превышает 1200 мкм, что позволяет аксонам клеток из камеры источника прорастать до камеры приемника и формировать синаптически связи, а длина дендритов диссоциированных нейрональных клеток составляет менее 400 мкм, посадка клеток в камеру для интеграции осуществляется на 5-7 день после посадки в камеры источник и приемник.
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021138541A RU2021138541A (ru) | 2023-06-23 |
| RU2814623C2 true RU2814623C2 (ru) | 2024-03-01 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7499894B2 (en) * | 2001-03-13 | 2009-03-03 | Shimon Marom | Cerebral programming |
| RU2553947C2 (ru) * | 2013-08-16 | 2015-06-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского" | Способ обучения биологической нейронной сети культуры, выращенной на мультиэлектродной матрице |
| RU2729814C1 (ru) * | 2019-12-27 | 2020-08-12 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Устройство для создания направленной связи между популяциями нейрональных клеток |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7499894B2 (en) * | 2001-03-13 | 2009-03-03 | Shimon Marom | Cerebral programming |
| RU2553947C2 (ru) * | 2013-08-16 | 2015-06-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского" | Способ обучения биологической нейронной сети культуры, выращенной на мультиэлектродной матрице |
| RU2729814C1 (ru) * | 2019-12-27 | 2020-08-12 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Устройство для создания направленной связи между популяциями нейрональных клеток |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| FEBER J. et al., Barbed channels enhance unidirectional connectivity between neuronal networks cultured on multi electrode arrays, Frontiers in Neuroscience, 2015, Vol. 9, p. 1-10. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wong et al. | Neurite outgrowth in molluscan organ and cell cultures: the role of conditioning factor (s) | |
| Nikkhah et al. | A microtransplantation approach for cell suspension grafting in the rat Parkinson model: a detailed account of the methodology | |
| Mizuno et al. | Patchwork-type spontaneous activity in neonatal barrel cortex layer 4 transmitted via thalamocortical projections | |
| Macklis | Transplanted neocortical neurons migrate selectively into regions of neuronal degeneration produced by chromophore-targeted laser photolysis | |
| DE202019105580U1 (de) | Mediumsystem zur Ex-Vivo-Erweiterung von Nk-Zellen | |
| Kromer et al. | Intracephalic implants: a technique for studying neuronal interactions | |
| Sobkowicz et al. | Neuronal organization in long term cultures of the spinal cord of the fetal mouse | |
| CN110055221A (zh) | 一种基于细胞三维打印技术的类脑疾病治疗组织模型及其制备方法与应用 | |
| Blakemore | Sensitive and vulnerable periods in the development of the visual system | |
| Lu et al. | A simplified method for ultra-low density, long-term primary hippocampal neuron culture | |
| Crain et al. | Bioelectric activity in long-term cultures of spinal cord tissues | |
| Bornstein et al. | Observations on the appearance of neuromuscular relationships in cultured mouse tissues | |
| RU2814623C2 (ru) | Способ и устройство для интеграции нейрональных клеток в сформированную нейронную сеть с направленной связью in vitro | |
| CN101124319B (zh) | 神经干细胞 | |
| Betz | The formation of synapses between chick embryo skeletal muscle and ciliary ganglia grown in vitro. | |
| Currie et al. | Monolayer cultures of perikarya isolated from postnatal rat cerebellum | |
| Gopal et al. | Auditory cortical neurons in vitro: cell culture and multichannel extracellular recording | |
| Beneyto et al. | Auditory connections and neurochemistry of the sagulum | |
| Lu et al. | Glutamate decarboxylase immunoreactivity in the intermediate grey layer of the superior colliculus in the cat | |
| Potter et al. | Long-term bidirectional neuron interfaces for robotic control, and in vitro learning studies | |
| Kim | Light and electron microscope study of mouse cerebral neocortex in tissue culture | |
| RU2729814C1 (ru) | Устройство для создания направленной связи между популяциями нейрональных клеток | |
| Crain | Development of Specific Synaptic Network Functions in Organotypic Central Nervous System (CNS) Cultures: Implications for Transplantation of CNS Neural Cellsin Vivo | |
| Granholm et al. | Human fetal xenografts of brainstem tissue containing locus coeruleus neurons: functional and structural studies of intraocular grafts in athymic nude rats | |
| Pasquarelli et al. | Microelectrode Arrays, Implants, and Organs-on-a-chip |