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La unión neuromuscular (NMJ) es la sinapsis química entre las motoneuronas (MN) y las células del músculo esquelético (SkM) que permite la contracción muscular. Las toxinas, como la neurotoxina α-bungarotoxina (BTX), o las enfermedades neuromusculares (NMD) como la miastenia gravis (MG) pueden conducir a la degeneración de la NMJ y reducciones en el control muscular1. Los modelos de tejidos humanos de bioingeniería recapitulan mejor los mecanismos funcionales y fisiológicos de los NMJ humanos y ofrecen un mayor potencial de traducción que los modelos animales.
Si bien los modelos animales han avanzado en la comprensión de la formación y función del NMJ, existen diferencias significativas entre las sinapsis humanas y animales que limitan la traducción de los resultados a los humanos y hacen que la caracterización in vivo del NMJ sea un desafío 2,3,4. Los estudios han demostrado diferencias fisiológicas distintas entre los NMJ de ratón y humanos. Los ratones tienen NMJ más grandes y densidades de zona activa más pequeñas en comparación con los NMJ humanos4. Además, los estudios de medicamentos realizados en modelos animales no siempre reflejan los efectos encontrados en los ensayos clínicos en humanos. Los modelos de tejido humano diseñados brindan la oportunidad de estudiar el desarrollo saludable de la NMJ y la patología de las enfermedades neuromusculares y permiten la detección de drogas. Las células madre pluripotentes inducidas por humanos (hiPSCs)5 se pueden diferenciar en una variedad de tipos de células, incluidas las células del músculo esquelético 6,7 y las motoneuronas 8,9. Las hiPSC se pueden generar fácilmente a partir de células de pacientes, lo que permite un mejor modelado de la enfermedad10 y la detección de fármacos11,12 a través de modelos de tejido específicos del paciente.
Los cocultivos monocapa bidimensionales (2D) de SkMs y MNs carecen de la morfología, fenotipo, organización y comportamiento funcional de los NMJ fisiológicos. Los NMJ se forman aleatoriamente en cultivo 2D, lo que inhibe el aislamiento de unidades motoras para su análisis, limita las mediciones funcionales precisas e impide su uso para experimentos repetidos y sistemáticos13 . Los modelos tisulares tridimensionales (3D) de NMJ superan muchas de estas limitaciones, recapitulando las características morfológicas y funcionales de los NMJ fisiológicos 7,14,15,16,17. Usando este modelo, los dos tipos de tejido se desarrollan por separado y luego se integran dirigiendo el crecimiento axonal, lo que permite que se desarrollen NMJ más organizados en comparación con los sistemas de cultivo 2D.
Nuestro estudio anterior demostró que la combinación de optogenética con ingeniería de tejidos puede permitir una estimulación no invasiva precisa y una evaluación de la función NMJ18,19. A través de la ingeniería genética, las proteínas sensibles a la luz se pueden integrar en el genoma de las hiPSC. La integración de la canalrodopsina-2 (ChR2), un canal iónico que se abre en respuesta a la luz azul, en la membrana de células excitables como las neuronas permite el control espaciotemporal sin contacto sobre la activación celular 20,21,22. Las hiPSC que transportan ChR2 se pueden diferenciar en motoneuronas optogenéticas sensibles a la luz azul, eliminando la necesidad de electrodos invasivos típicos que estimulan las neuronas y evitando la estimulación no deseada de las células musculares por electrodos23. Este sistema utiliza motoneuronas optogenéticas para estimular las contracciones en las células del músculo esquelético no optogenético. La combinación de la adquisición de video y la iluminación controlada de luz azul permite que los tejidos cocultivados se estimulen y graben simultáneamente para la función NMJ.
La MG es causada por autoanticuerpos dirigidos a los receptores nicotínicos de acetilcolina (AChR), lo que resulta en una disminución de la función NMJ y debilidad muscular24. Se diagnostica en función de los síntomas presentados, el electrodiagnóstico y la detección de autoanticuerpos a través de análisis de sangre serológicos. Sin embargo, no se han identificado todos los autoanticuerpos implicados en la MG, y algunos pacientes seronegativos son diagnosticados con MG pero sin anticuerpos reconocidos25,26. Nuestro sistema permite la evaluación funcional repetida de la NMJ antes y después de la adición de suero de pacientes con MG, proporcionando información invaluable sobre los cambios funcionales y bioquímicos causados por los anticuerpos MG18. Nuestro protocolo ilustra cómo producir modelos 3D in vitro de NMJ humana funcional que se pueden utilizar para diagnosticar e investigar patologías de NMJ y probar posibles terapias. Demostramos la versatilidad del sistema en dos plataformas, un dispositivo microfluídico y una plataforma de biorreactor de pozo abierto más grande.