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Würmer und das menschliche Gehirn
Es gibt keine Heilmittel für schwächende neurodegenerative Krankheiten wie Parkinson, und die Forscher verstehen immer noch nicht, was das Absterben von Gehirnzellen bei Patienten mit diesen Krankheiten verursacht. Aber MIT-Forscher hoffen, die Suche nach Antworten und die Suche nach Therapien bei einem unwahrscheinlichen Testsubjekt zu beschleunigen: Würmern.
Intelligente Würmer: MIT-Forscher haben einen Mikrofluidik-Chip für schnelle Ganzgenom-Screenings und zum Testen einer großen Anzahl therapeutischer Verbindungen in lebenden Würmern entwickelt. Neuronen in diesem Wurm, dem millimeterlangen Fadenwurm C. elegans, sind grün markiert.
Mehmet Fatih Yanik , Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Informatik am MIT, entwickelt mikrofluidische Geräte, die Experimente, einschließlich Ganzgenom-Screening und Medikamententests, an kleinen Fadenwürmern, den sogenannten C. elegans . Sie sind ein beliebtes Thema von Biologen und Medizinern, weil die Würmer winzig und durchsichtig sind und Forscher mit ihnen Experimente durchführen können, die bei größeren Tieren nicht möglich sind.
Die Polymerchips von Yanik haben zwei Kanalschichten. Eine Schicht sei wie ein Labyrinth, sagt er. In dieser Schicht werden die einen Millimeter langen Schnecken mit hoher Geschwindigkeit geschleudert und sortiert. Die Kanäle sind nur wenige hundert Mikrometer breit und fassen sehr kleine Flüssigkeitsmengen. Die obere Schicht nennt Yanik Sanitär. Es enthält Ventile, die den Fluss von Flüssigkeit und Würmern steuern.
Saugkanäle ermöglichen es Forschern, die Würmer für die Bildgebung an einem hochauflösenden Mikroskop zu immobilisieren. Die Fadenwürmer bestehen aus weniger als tausend Zellen, von denen jede unter dem Mikroskop zu sehen ist. Mit Yaniks Chip können Sie in Echtzeit sehen, wie Neuronen in den lebenden Tieren sterben, sagt Richard Nass , Assistant Professor für Pädiatrie und Pharmakologie am Vanderbilt University Medical Center. Bei größeren Tieren ist eine Bildgebung mit dieser Detailgenauigkeit und Geschwindigkeit unmöglich, und ältere Wurmsysteme können verschwommene Bilder liefern, da die Würmer frei schwimmen.
Nass entwickelte das erste Wurmmodell der Parkinson-Krankheit. Darin werden die Tiere mit einem Toxin behandelt, das Dopamin-Neuronen abtötet. Auf dem Chip können Würmer anhand von visuellen Anzeichen dafür sortiert werden, wie das Toxin ihre Nerven beeinflusst. Ein solches Experiment dauert mit herkömmlichen Techniken etwa sechs Monate, sagt Nass. Auf Yaniks Chip dauert es einen Monat.
Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit einem großen internationalen Pharmakonzern nutzt Nass die Chips und seine Würmer, um mögliche Parkinson-Therapien zu entdecken. Menschen haben Zehntausende von Dopamin-Neuronen, die mit Zehntausenden anderer Neuronen verbunden sind, sagt Nass. Die Würmer haben nur acht Dopamin-Neuronen, aber auf molekularer Ebene ist ihr Nervensystem fast identisch mit dem menschlichen Nervensystem.
In einer Art von Experiment, das mit dem neuen mikrofluidischen Gerät möglich ist, können Würmer auf dem Chip mit Verbindungen für Hochdurchsatz-Wirkstoff-Screenings behandelt werden. Solche automatisierten Wirkstoff-Screenings, die gegenwärtig an einzelnen Zellen durchgeführt werden, waren in der Vergangenheit bei ganzen lebenden Tieren nicht praktikabel.
Der Chip von Yanik soll auch Ganzgenom-Screenings beschleunigen, die den Forschern helfen zu verstehen, welche Gene für lebenswichtige Prozesse notwendig sind, etwa die Fähigkeit von Nervenzellen, sich von Verletzungen zu erholen. Viele der Gene in Würmern … funktionieren genauso wie in höheren Organismen, sagt Richard Roy , außerordentlicher Professor für Biologie an der McGill University. Konkret könnte der Chip von Yanik dazu beitragen, Experimente zu beschleunigen, in denen Forscher jedes einzelne Wurmgen zum Schweigen bringen und beobachten, was passiert, um festzustellen, welche Gene für welche physiologischen Prozesse notwendig sind.
Yanik verwendet die Chips, um die Genetik der Nervenregeneration zu untersuchen. Er entwickelte einen hochpräzisen, intensiven Laser zur Durchführung von Mikrooperationen an den Würmern. Mit dem Laser kann er einen einzelnen Ast eines Neurons sehr präzise durchtrennen, ohne das umliegende Gewebe zu beschädigen. Yanik bringt jedes Gen im gesamten Genom des Wurms zum Schweigen, ein Gen nach dem anderen, trennt dann die Neuronen in jedem Wurm und beobachtet das Ergebnis. Wenn ein Wurm mit einem bestimmten stummgeschalteten Gen den beschädigten Nerv nicht heilen kann, deutet dies darauf hin, dass das Gen eine wichtige Rolle im Heilungsprozess spielt.
Eine beschleunigte Untersuchung der Würmer könnte weitreichende Auswirkungen auf die Genommedizin haben. Die Würmer bieten ein besonders gutes Modell des menschlichen Nervensystems und werden auch häufig verwendet, um die Entwicklung zu untersuchen, mit Auswirkungen auf menschliche Entwicklungsstörungen und Krebs, sagt Roy. Yaniks Chips wären, wenn sie ihr Versprechen halten, eine enorme Verbesserung in Bezug auf Geschwindigkeit, Volumen und Präzision gegenüber dem, was derzeit verfügbar ist.