211service.com
Wormen en het menselijk brein
Er zijn geen remedies voor slopende neurodegeneratieve ziekten zoals Parkinson, en onderzoekers begrijpen nog steeds niet waardoor hersencellen afsterven bij patiënten die aan deze ziekten lijden. Maar MIT-onderzoekers hopen de zoektocht naar antwoorden en de zoektocht naar therapieën te versnellen in een onwaarschijnlijke proefpersoon: wormen.
Slimme wormen: MIT-onderzoekers hebben een microfluïdische chip gemaakt voor snelle screening van het hele genoom en voor het testen van grote aantallen therapeutische verbindingen in levende wormen. Neuronen in deze worm, de millimeterlange nematode C. elegans, zijn groen gemarkeerd.
Mehmet Fatih Yanik , assistent-professor elektrotechniek en computerwetenschappen aan het MIT, ontwikkelt microfluïdische apparaten die experimenten, waaronder screening van het hele genoom en het testen van medicijnen, op kleine nematoden, genaamd C. elegans . Ze zijn een geliefd onderwerp van biologen en medische onderzoekers omdat de wormen klein en transparant zijn en onderzoekers er experimenten mee kunnen doen die bij grotere dieren niet mogelijk zijn.
De polymeerchips van Yanik hebben twee lagen kanalen. Eén laag is als een doolhof, zegt hij. In deze laag worden de één millimeter lange wormen met hoge snelheid vervoerd en gesorteerd. De kanalen zijn slechts een paar honderd micrometer breed en bevatten zeer kleine hoeveelheden vloeistof. De bovenste laag is wat Yanik het sanitair noemt. Het bevat kleppen die de vloeistofstroom en wormen regelen.
Met zuigkanalen kunnen onderzoekers de wormen immobiliseren voor beeldvorming op een microscoop met hoge resolutie. De aaltjeswormen bestaan uit minder dan duizend cellen, die elk onder de microscoop te zien zijn. Met de chip van Yanik kun je neuronen in realtime zien afsterven in de levende dieren, zegt Richard Nass , assistent-professor kindergeneeskunde en farmacologie aan het Vanderbilt Universitair Medisch Centrum. Beeldvorming op dit niveau van detail en snelheid is onmogelijk bij grotere dieren, en oudere wormsystemen kunnen wazige beelden opleveren omdat de wormen vrij zwemmen.
Nass ontwikkelde het eerste wormmodel van de ziekte van Parkinson. Daarin worden de dieren behandeld met een toxine dat dopamine-neuronen doodt. Op de chip kunnen wormen worden gesorteerd met behulp van visuele tekenen van hoe het toxine hun zenuwen beïnvloedt. Zo'n experiment duurt met conventionele technieken zo'n zes maanden, zegt Nass. Op de chip van Yanik duurt het een maand.
Als onderdeel van een samenwerking met een groot internationaal farmaceutisch bedrijf gebruikt Nass de chips en zijn wormen om mogelijke therapieën voor Parkinson te ontdekken. Mensen hebben tienduizenden dopamine-neuronen die zijn verbonden met tienduizenden andere neuronen, zegt Nass. De wormen hebben slechts acht dopamine-neuronen, maar op moleculair niveau is hun zenuwstelsel bijna identiek aan het menselijke zenuwstelsel.
In één type experiment dat mogelijk is met het nieuwe microfluïdische apparaat, kunnen wormen op de chip worden behandeld met verbindingen voor medicijnschermen met hoge doorvoer. Dergelijke geautomatiseerde geneesmiddelscreening, die momenteel op afzonderlijke cellen wordt uitgevoerd, was in het verleden niet praktisch bij hele levende dieren.
De chip van Yanik moet ook het screenen van het hele genoom versnellen, zodat onderzoekers begrijpen welke genen nodig zijn voor vitale processen, zoals het vermogen van zenuwcellen om te herstellen van letsel. Veel van de genen in wormen ... werken op dezelfde manier als in hogere organismen, zegt Richard Roy , universitair hoofddocent biologie aan de McGill University. Met name de chip van Yanik kan helpen om experimenten te versnellen waarin onderzoekers elk wormgen het zwijgen opleggen en kijken wat er gebeurt om te bepalen welke genen nodig zijn voor welke fysiologische processen.
Yanik gebruikt de chips om de genetica van zenuwregeneratie te bestuderen. Hij ontwikkelde een zeer nauwkeurige, intense laser voor het uitvoeren van microchirurgie op de wormen. Met de laser kan hij heel precies een enkele tak van een neuron doorsnijden zonder het omringende weefsel te beschadigen. Yanik legt elk gen in het hele genoom van de worm tot zwijgen, één gen per keer, verbreekt vervolgens de neuronen in elke worm en kijkt naar de uitkomst. Als een worm met een bepaald tot zwijgen gebracht gen de beschadigde zenuw niet kan genezen, suggereert dat dat het gen een belangrijke rol speelt in het genezingsproces.
Het versnellen van studies van de wormen zou brede implicaties kunnen hebben voor de genomische geneeskunde. De wormen vormen een bijzonder goed model van het menselijk zenuwstelsel en ze worden ook veel gebruikt om ontwikkeling te bestuderen, met implicaties voor menselijke ontwikkelingsstoornissen en kanker, zegt Roy. Yanik's chips zouden, als ze hun belofte waarmaken, een enorme verbetering zijn in snelheid, volume en precisie ten opzichte van wat momenteel beschikbaar is.