ТРЕХКАМЕРНЫЙ МИКРОФЛЮИДНЫЙ ЧИП ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ИНТЕГРАЦИИ НЕЙРОНАЛЬНЫХ ПРОГЕНИТОРНЫХ КЛЕТОК В НЕЙРОНАЛЬНЫЕ СЕТИ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫХ КЛЕТОК Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 576.54

ТРЕХКАМЕРНЫЙ МИКРОФЛЮИДНЫЙ ЧИП ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ИНТЕГРАЦИИ НЕЙРОНАЛЬНЫХ ПРОГЕНИТОРНЫХ КЛЕТОК В НЕЙРОНАЛЬНЫЕ СЕТИ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫХ КЛЕТОК

DOI 10.24412/CL-37228-2024-176-178

М. С. Землянсков1, А. А. Гладков12, Я. И. Пигарева12, В. Н. Колпаков12, В. Б. Казанцев12, И. В. Мухина12, А. С. Пимашкин1

1Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского,

Нижний Новгород, Россия 2ФГБОУ ВО «ПИМУ» Минздрава России, Нижний Новгород, Россия E-mail: zemlyanskov@neuro.nnov.ru

Аннотация. Была создана экспериментальная модель интеграции про-гениторных клеток в сформированные нейрональные сети в трехкамерном микрофлюидном чипе. Прогениторные клетки встроились в общую нейро-нальную сеть и участвовали в передаче пачек импульсов начиная с 20 дня развития культуры.

Ключевые слова: мозг-на-чипе, микрофлюидика, электрофизиология, нейрональные сети.

Актуальной задачей регенеративной медицины является экспериментальное моделирование травмы и восстановления функциональных связей иерархической структуры сети нейронов. Данный вопрос может быть решен с помощью культивирования клеток в связанных микроканалами камерах внутри микрофлюидного чипа [2]. Сочетание преимуществ микрофлюидики и возможностей использования стволовых клеток позволит изучать механизмы восстановления функциональной структуры нейронных сетей в области травмы мозга. Малоизученным вопросом в данной области исследований является механизм интеграции новых клеток в сформированные нейрональные сети, а также их влияние на активность нейрональных сетей дифференцированных клеток.

В исследовании использовались микрофлюидные чипы с тремя камерами, последовательно соединенными шестнадцатью микроканалами [3]. Микроканалы обеспечивали преимущественно однонаправленный рост отростков нейрональных клеток. Клетки неокортекса мыши C57BL/6 Е13 использовались в качестве доступного источника нейрональных прогениторных клеток (НПК) [1]. НПК интегрировались в область между подсетями дифференцированных нейрональных клеток, полученных из неокортекса мыши E18. Биоэлектрическую активность регистрировали с помощью микроэлектродных матриц, и сравнивали спонтанную активность в нейрональных сетях при интеграции НПК и при интеграции дифференцированных нейрональных клеток E18.

Обнаружено, что на 15 день развития культур вероятность распространения спонтанных сетевых пачек импульсов между камерами была значительно ниже у культур с интегрированными НПК, чем у культур с дифференцированными нейрональными клетками. Начиная с 20 дня развития вероятность распространения сетевых пачек не различалась. Таким образом, интегрированные НПК формировали функциональные связи с сетями дифференцированных нейрональных клеток с заданным направлением распространения биоэлектрической активности.

Разработанная микрофлюидная система с интеграцией НПК в зрелую нейрональную сеть может быть использована для моделирования многослойной гетерогенной архитектуры сетей для изучения взаимодействия клеток («мозг-на-чипе»). Нейрональная сеть может быть выращена из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека и использована для фармакологического скрининга и фундаментальных исследований характеристик обработки информации.

Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 21-75-10154).

Список литературы

1. Di Bella D. J. Molecular logic of cellular diversification in the mouse cerebral cortex / D. J. Di Bella [et al.] // Nature. — 2021. — V. 595. — No 7868. — P. 554-559.

2. Gladkov A. Design of cultured neuron networks in vitro with predefined connectivity using asymmetric microfluidic channels /

A. Gladkov [et al.] // Scientific reports. — 2017. — V. 7. — No 1. — P. 15625.

3. Shimba K. Functional scaffolding for brain implants: engineered neuronal network by microfabrication and iPSC technology / K. Shimba [et al.] // Frontiers in Neuroscience. — 2019. — V. 13. — P. 462718.

A THREE-CHAMBER MICROFLUIDIC CHIP FOR

STUDYING THE INTEGRATION OF NEURONAL PROGENITOR CELLS INTO NEURONAL NETWORKS OF DIFFERENTIATED CELLS

Abstract. An experimental model of the integration of progenitor cells into the formed neural networks in a three-chamber microfluidic chip was created. Progenitor cells were integrated into the general neural network and participated in the transmission of packets of impulses starting from the 20th day of culture development.

Key words: brain-on-a-chip, microfluidics, electrophysiology, neural networks.