Jak się okazuje, węglowe nanomateriały mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w elektronice, magazynowaniu energii czy paliw, ale też w medycynie i badaniach biologicznych. W 2005 włoscy naukowcy odkryli, że nanorurki węglowe są dobrym środowiskiem bytowania dla komórek nerwowych. Zespół z Chinese Academy of Science poszedł krok dalej – postanowił sprawdzić, jak komórki nerwowe radzą sobie w bardziej złożonym środowisku, czyli piance grafenowej 3D (GF-3D). Wyniki są bardzo optymistyczne i pozwalają myśleć o grafenie jako materiale bardzo przydatnym w neurologii.

Gafenowe podłoże zostało wytworzone standardową techniką chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD). W rozgrzanym do 1000 ° C piecu na formie z niklu następuje osadzanie się węgla. Pochodzi on z rozkładu metanu pod wpływem temperatury. Następnie metalowy szkielet jest wytrawiany i pozostaje porowata struktura grafenu. Powstaje ultra lekki, wytrzymały, przewodzący elektryczność materiał o bardzo dużej powierzchni. Dzięki dopracowanej procedurze usunięto z pianki nawet śladowe ilości katalizatora (niklu).

Rys. 1. Zdjęcie otrzymanej pianki grafenowej 3D ze skaningowego mikroskopu elektronowego

Na piance grafenowej naukowcy osadzili neuronalne komórki macierzyste (NSCs). Są to pierwotne komórki z nieograniczoną zdolnością do samopowielania i przekształcania się w  neurony, oligodendrocyty i astrocyty. Prowadzone są intensywne prace nad zastosowaniem ich w leczeniu uszkodzeń nerwowych i psychicznych, często z obiecującymi rezultatami. Problemem jest natomiast stworzenie mikrośrodowiska fizjologicznego jak najbardziej zbliżonego do naturalnego - wnętrza mózgu. Jest to konieczne do dokładniejszego zbadania tych jeszcze tajemniczych struktur.

Aby zwiększyć przyczepność i szanse przeżycia NSC do pianki grafenowej, została ona pokryta laminami. Wykazano, że komórki nie tylko doskonale osadziły się na nowym, sztucznym środowisku, ale też wzrastały i różnicowały się. NSC wydłużały się, łączyły i pokryły całą powierzchnię pianki grafenowej czymś na kształt sieci neuronowej. Podobne efekty przeżywalności uzyskano we wcześniejszych badaniach na płaskich powierzchniach grafenu.

Rys. 2. Komórki nerwowe w piance 3D-GF, wyznakowane Nestin i DAPI

Po wyznakowaniu markerami białek charakterystycznych dla neuronów, oligodendrocytów i astrocytów znaleziono wszystkie typy tych komórek. W porównaniu do płaskiej powierzchni grafenowej znacznie więcej było neuronów i astrocytów.

Z powodzeniem przeprowadzono też stymulację elektryczną prądem o wartości potencjału od −0.2 do +0.8 V. Stymulacja jest konieczna do migracji, proliferacji i różnicowania NSCs. Zadanie to było bardzo ułatwione, z uwagi na dobrą przewodność elektryczną grafenu i kształt tworzonej przez niego matrycy..

Prawidłowe różnicowanie się NSCs w różne komórki nerwowe było możliwe, ponieważ pianka grafenowa symuluje zatłoczoną strukturę istoty szarej mózgu, gdzie wszystkie elementy oddziałują na siebie elektrycznie. Każde wyładowanie czy minipotencjał jest źródłem myśli i pamięci.

Rys. 3. komórki wyznakowane markerami neuronów (Tuj1), astrocytów (GFAP) i oligodendrocytów (O4)

Wyniki badań wskazują, że grafenowy materiał świetnie nadaje się do tworzenia modeli badawczych dla komórek i tkanek nerwowych. Zakłada się także możliwość wykorzystania materiału w leczeniu i inżynierii tkankowej. Do rozwiązania pozostaje problem unaczynienia struktury, ponieważ na ten moment komórki odżywiają się za pomocą dyfuzji z roztworu. W protetyce neuronalnej jesteśmy dopiero na początku drogi - do tej pory nie wykorzystano w praktyce koncepcji hodowli komórek nerwowych na biodegradowalnych matrycach, które wszczepiane miały być do mózgu.

Przeczytaj również:

Sekret tworzenia się biofilmów rozwiązany

Ptasi wirus zwalcza raka prostaty?

Seweryn Frasiński

źródła:

Nature Scientific Reports

Three-dimensional graphene foam as a biocompatible and conductive scaffold for neural stem cells, Scientific Reports 3, Article number: 1604. doi:10.1038/srep01604

spitin.org (POLSKI INSTYTUT TECHNOLOGII I NANOTECHNOLOGII)

www.neuronauka.org