Μικροεπεξεργασία υλικών με λέιζερ στενών παλμών
Authors: Σιμιτζή Χαρίκλεια 
Published: August 2021

Σε αντίθεση με τους υπόλοιπους ιστούς, οι οποίοι αποτελούνται από κύτταρα πιο ομοιογενή σε δομή και λειτουργία, ο νευρικός ιστός εκτείνεται σε ένα πολύπλοκο και πολυεπίπεδο περιβάλλον, του οποίου τα τοπογραφικά χαρακτηριστικά επιδεικνύουν ένα μεγάλο φάσμα μορφολογιών και μεγεθών. Εξαιτίας της σημασίας ενός τέτοιου περιβάλλοντος, τα συνήθη επίπεδα υποστρώματα καλλιέργειας κυττάρων αποδεικνύονται ανεπαρκή για τη μελέτη της επίδρασης της τοπογραφίας του περιβάλλοντος στην μορφολογία και την λειτουργία των νευρικών κυττάρων. Συνεπώς, για να προσεγγίσουμε την πολυπλοκότητα του τοπογραφικού περιβάλλοντος των νευρικών κυττάρων, είναι απαραίτητο να μεταβούμε σε πιο πολύπλοκες 3Δ μικροδομημένες επιφάνειες. Μέσω των τεχνικών μικρο- και νανο-κατεργασίας, μπορούν να αναπτυχθούν νέου τύπου πλατφόρμες καλλιέργειας κυττάρων, στις οποίες μπορεί να μελετηθεί η επίδραση των διαφόρων τοπογραφικών σινιάλων στις κυτταρικές λειτουργίες, όπως ο πολλαπλασιασμός και η κυτταρική διαφοροποίηση. Διάφορες προσεγγίσεις, αναφορικά με το υλικό, το είδος της τεχνικής, τον τύπο του κυττάρου, κτλ., έχουν αναπτυχθεί για την κατασκευή μικροδομημένων επιφανειών, όπου μπορεί να μελετηθεί η επίδραση της τοπογραφίας στην ανάπτυξη των νευρικών κυττάρων. Στην παρούσα εργασία, μελετήθηκε η κυτταρική ανάπτυξη πάνω σε μικροδομημένα υποστρώματα πυριτίου (τα οποία αποτελούνται από διατάξεις μικροκώνων) και τα οποία κατασκευάστηκαν με την τεχνική της δόμησης με λέιζερ υπέρστενων παλμών. Αυξάνοντας την πυκνότητα ενέργειας του λέιζερ, κατασκευάστηκαν τρία είδη μικροδομημένων επιφανειών πυριτίου, οι οποίες επιδεικνύουν διαφορετικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά (διαβαθμισμένες σε τρεις κατηγορίες χαμηλής, μεσαίας και υψηλής ονομαστικής τραχύτητας). Οι μικροδομημένες επιφάνειες χαρακτηρίστηκαν αναφορικά με την επιφανειακή τους μορφολογία, τις ιδιότητες διαβροχής και την επιφανειακή τους χημεία. Όσο αυξάνεται η τραχύτητα, η απόσταση μεταξύ των κώνων αυξάνεται και η ανισοτροπία της μορφολογίας γίνεται εμφανέστερη. Αυτά τα τρία μικροδομημένα υποστρώματα χρησιμοποιήθηκαν μαζί με επίπεδο πυρίτιο, σε in vitro πειράματα με κύτταρα. Τα PC12 κύτταρα χρησιμοποιήθηκαν ως ένα μοντέλο νευρικών κυττάρων, με σκοπό ναερευνηθεί η επαγόμενη από τον NGF ανάπτυξη και διαφοροποίηση (νευριτογένεση) πάνω στα μικροδομημένα υποστρώματα πυριτίου. Κατόπιν χορήγησης NGF, η κυτταρική διαφοροποίηση ενθαρρύνθηκε στα υποστρώματα χαμηλής και ενδιάμεσης τραχύτητας, ενώ ανεστάλη σε εκείνα της υψηλής τραχύτητας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η απόσταση μεταξύ των κώνων επηρεάζει αποτελεσματικά την μοίρα διαφοροποίησης των PC12 κυττάρων. Πρωτογενή κύτταρα του περιφερικού νευρικού συστήματος χρησιμοποιήθηκαν για να μελετηθεί η τοπογραφική καθοδήγηση στην νευρική ανάπτυξη και την ανάπτυξη νευρικούδικτύου συμπαθητικών νευρώνων, καθώς επίσης και η επίδραση της (επιφανειακής)τοπογραφίας στην μορφολογία των κυττάρων Schwann. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τονευρικό δίκτυο στα υποστρώματα χαμηλής τραχύτητας ήταν τυχαίου προσανατολισμού, ενώ οι νευρώνες στα υποστρώματα ενδιάμεσης και υψηλής τραχύτητας επιδείκνυαν παράλληλη ευθυγράμμιση. Επιπλέον, στα υποστρώματα ενδιάμεσης και υψηλής τραχύτητας ενθαρρύνθηκε η προσανατολισμένη ανάπτυξη των κυττάρων Schwann. Ανάλογο φαινόμενο επιφανειακά επαγόμενης κατευθυντικότητας παρατηρήθηκε και στο μοντέλο του ολόκληρου γαγγλίου, όπου τόσο η μετανάστευση των κυττάρων Schwann όσο και αξονική ανάπτυξη επιδείκνυαν μια απόκριση εξαρτώμενη από την επιφάνεια του υποστρώματος. Σε αυτό το μοντέλο, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα κύτταρα Schwann δημιουργούν ένα είδος κυτταρικού “τάπητα” πάνω στα μικροδομημένα υποστρώματα. Οι νευρώνες αναπτύσσονταν πάνω σε αυτά. Διατυπώνεται η υπόθεση ότι η πλαστικότητα των κυττάρων Schwann και των απολήξεών τους επέτρεψε τον σχηματισμό ενός νευρογλοιακού “τάπητα”, ο οποίος αποτέλεσε υπόστρωμα για την νευριτική ανάπτυξη. Συνεπώς, συμπεραίνεται ότι τα συγκεκριμένα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της επιφανειακής τραχύτητας μπορούν να επηρεάσουν ένα εύρος νευρικών και νευρογλοιακών κυτταρικών λειτουργιών. Τα μικροδομημένα υποστρώματα πυριτίου που κατασκευάζονται με χρήση λέιζερ και παρουσιάζονται με την παρούσα εργασία, θα μπορούσαν εν δυνάμει να χρησιμοποιηθούν ως πρότυπα ικριώματα για την συστηματική διερεύνηση του ρόλου της 3Δ μικροτοπογραφίας στην κυτταρική διαφοροποίηση και ανάπτυξη νευρικών δικτύων, όπου οι αλληλεπιδράσεις των κυττάρων Schwann με τους νευρώνες θα μπορούσαν να ερευνηθούν αναφορικά με την αναγέννηση του νευρικού ιστού.