工学的に設計された多細胞の脊髄筋バイオアクチュエーターにおける機能的な神経筋接合部の出現

Emergence of functional neuromuscular junctions in an engineered, multicellular spinal cord-muscle bioactuator.

• C D Kaufman
• S C Liu
• C Cvetkovic
• C A Lee
• G Naseri Kouzehgarani
• R Gillette
• R Bashir
• M U Gillette

抄録

3次元（3D）バイオミメティックシステムは、生物学的システムの研究だけでなく、医薬品の開発と試験にも大きな可能性を秘めている。ここでは、ラット腰部脊髄の無傷のセグメントは、末梢神経系（PNS）の部分的な発達を模倣して、機能的な神経筋接合部（NMJ）を形成するという仮説を検証しています。筋組織は、筋肉の収縮による背骨の偏向が柱状の"足"の変位を引き起こす3Dプリントされたポリエチレングリコール（PEG）骨格上で成長している。私たちは、脊髄の探索体が、運動ニューロンとグリアの堅牢で複雑なアーバーを拡張していることを示しています。次に、後肢運動中枢パターン発生装置（CPG）を収容する腰部脊髄の無傷のセグメントを筋組織に神経接続することで、「スピノボット」を設計した。脊髄が筋組織に導入されてから7日以内に、機能的な神経筋接合部（NMJ）が形成され、その結果、初期のPNSが発達した。新たに神経支配を受けた筋肉は、PEG骨格上の柱の変位によって測定される自発的な収縮を示す。化学的興奮を受けると、脊髄-筋系は一貫した周波数パターンで筋痙攣を開始した。これらの収縮/弛緩のシーケンスは、脊髄CPGの作用を示唆している。神経細胞のグルタミン酸受容体を遮断する薬剤による化学的阻害は、効果的に収縮をブロックした。全体的に、これらのデータは、ラットの脊髄が人工筋肉組織と機能的な神経筋接合部を形成することが可能であることを、オントジェニックに類似した時間スケールで示している。

Three-dimensional (3D) biomimetic systems hold great promise for the study of biological systems as well as for the development and testing of pharmaceuticals. Here, we test the hypothesis that an intact segment of lumbar rat spinal cord will form functional neuromuscular junctions (NMJs) with engineered, 3D muscle tissue, mimicking the partial development of the peripheral nervous system (PNS). Muscle tissues are grown on a 3D-printed polyethylene glycol (PEG) skeleton where deflection of the backbone due to muscle contraction causes the displacement of the pillar-like "feet." We show that spinal cord explants extend a robust and complex arbor of motor neurons and glia . We then engineered a "spinobot" by innervating the muscle tissue with an intact segment of lumbar spinal cord that houses the hindlimb locomotor central pattern generator (CPG). Within 7 days of the spinal cord being introduced to the muscle tissue, functional neuromuscular junctions (NMJs) are formed, resulting in the development of an early PNS . The newly innervated muscles exhibit spontaneous contractions as measured by the displacement of pillars on the PEG skeleton. Upon chemical excitation, the spinal cord-muscle system initiated muscular twitches with a consistent frequency pattern. These sequences of contraction/relaxation suggest the action of a spinal CPG. Chemical inhibition with a blocker of neuronal glutamate receptors effectively blocked contractions. Overall, these data demonstrate that a rat spinal cord is capable of forming functional neuromuscular junctions with an engineered muscle tissue at an ontogenetically similar timescale.

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