3.1: — in vitro Нейронні моделі

Last updated
Save as PDF

Page ID: 72980

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Різноманітні моделі in vitro можуть бути використані для вивчення схем, а також для тестування багатьох методів, згаданих в цьому блоці, і допомогти зрозуміти розвиток нервової системи. Часто ці моделі in vitro були розроблені, щоб забезпечити спрощене розуміння набагато складнішого стану in vivo. Ці моделі зниженої складності дозволяють спростити підхід до вивчення ключових нейрональних процесів як на клітинному, так і на молекулярному рівні. У той же час деякі тканинні препарати зазнають декількох обмежень через свою простоту, зменшуючи прямі порівняння in vivo.

Системи експресії та увічнені клітинні лінії

Найпростіші електрофізіологічні моделі in vitro включають гетерологічні та рекомбінантні експресійні системи, які є клітинами/клітинними лініями, які можуть підтримуватися в культурі протягом тривалого періоду часу. Клітини/клітинні лінії зазвичай використовуються як гетерологічні (наприклад, ооцити Xenopus; або рекомбінантні експресійні системи (наприклад, клітини ембріональної нирки людини 293 (HEK-293), клітини яєчників китайського хом'яка (CHO))), які легко підтримуються, дозволяють вручну та автоматизувати електрофізіологічні методи і експрес високий рівень бажаного білка протягом короткого періоду часу, який можна послідовно спостерігати. Таким чином, ці системи широко використовуються для оцінки фармакологічних властивостей та структурно-функціональних зв'язків множинних нейронних іонних каналів. Однак, незважаючи на їх простоту та повсюдне використання, цим клітинам не вистачає багатьох складнощів, пов'язаних з нейрональною функцією всередині інтактного мозку (наприклад, мережеві асоціації, гліальні взаємодії та регуляція розвитку) - недолік при моделюванні мозку. Крім того, ці клітини, як правило, мають ненейрональне походження і, таким чином, не мають такого ж складного рівня клітинної архітектури, субклітинної організації або біохімії, пов'язаної з нативними нейрональними препаратами.

Ранні зусилля щодо вирішення цих ненейрональних проблем зосереджувалися на нейрональних клітині, отриманих від пухлини нейробластоми миші C-1300 (наприклад, N1E-115)) або клітинної лінії нейробластоми людини SH-SY5Y. Однак подальші досягнення молекулярної біології дозволяють використовувати нервові стовбурові клітини (НСК). НСК - це нескоєні клітини з потенціалом самовідновлення і здатністю диференціюватися в клітини всіх нейронних ліній. Ці клітини можуть бути отримані з декількох джерел, таких як плюрипотентні ембріональні стовбурові клітини, виділені з бластоцисти, пуповинної крові людини, індуковані плюрипотентні стовбурові клітини та мультипотентні соматичні попередники, отримані з декількох тканин, включаючи ЦНС. Електрофізіологічно ці клітини мають струми Na ⁺, K ⁺ і Ca ²⁺, які нагадують відомі закономірності, описані для їх нейрональних аналогів in vivo, навіть на ранніх стадіях диференціації. Крім того, ці клітини також здатні утворювати рудиментарні, але функціональні, глутаматергічні та ГАБАергічні синапси в культурі. Обмеження у використанні клітин, отриманих від дорослих, пропонують обмежений потенціал нейронної лінії та сенесс після лише декількох уривків (Jakel, Schneider, & Svendsen, 2004). Крім того, культури НСК можуть мати суміші як недиференційованих, так і диференційованих нейронів, для яких деякі нейрони розвиваються незрілими, і, таким чином, перешкоджають екстраполяції даних дорослому в стані in vivo.

Дисоційовані нейрональні первинні культури

Зростаючі в складності дисоційовані нейрональні первинні культури являють собою ще один поширений тканинний препарат. Ці культури механічно та ферментативно дисоціюються з різних областей мозку (наприклад, гіпокамп, кора, мозочок, стриатум, середній мозок, верхній шийний ганглій тощо) і складаються або з одного переважаючого типу нейрональних клітин, спільної суміші різних нейрональних популяцій або змішаних нейронально-гліальні культури. Дисоційовані нейрони та астроцити зберігають значну частину своєї функціональної здатності in vitro, що дозволяє цим препаратам вирішувати багато важливих процесів, що спостерігаються в умовах in vivo, таких як динаміка мережі та нейронально-гліальні взаємодії, але дисоційовані нейрони не можуть підтримуватися. в культурі протягом тривалого періоду часу і, таким чином, повинні бути свіжоізольовані і вирощувати на регулярній основі.

Тривимірні (3D) нейрональні органоїдні моделі

3D-модель нейронів являє собою наступний рівень складності для моделей ЦНС in vitro. Як і двовимірні (2D) препарати, розглянуті вище, 3D-культури клітин мозку можуть складатися з спільної суміші різних нейрональних і ненейрональних популяцій. Цікаво, що замість того, щоб культивуватися в традиційному планарному моношарі, 3D-культури мозку створюються до 10 діаметрів клітин товщиною в реагрегативних або сферичних культурах (тобто сфероїдів), культурах гідрогелі/риштування або ротаційних біореакторних культур з клітинними агрегатами або мікроносіями . При вирощуванні в 3D-середовищі нейронні клітини демонструють кращу живучість і поводяться по-різному порівняно з традиційними 2D-моделями. Таким чином, ці моделі сприяють кращому розвитку нативної функціональності іонних каналів із напругою, мембранних потенціалів спокою, внутрішньоклітинної динаміки Ca2 +, обміну Na+/H +, посиленому нейрогенезу та диференціації, формуванню синапсів, рухливості нейронів та мієлінізації аксонів (Lancaster & Кнобліч, 2014; Ланкастер та співавт., 2013; ЛаПлака та співавт., 2010; ван Вліет та ін., 2007).