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多篇研究表明利用三维大脑样微环境可高效地促进治疗性神经元产生

来源:本站原创 2018-08-30 23:00

2018年8月30日/生物谷BIOON/---人类大脑由高度复杂和广泛的细胞和神经元网络组成,然而人们对发育中的大脑的现有科学理解是相对有限的。作为一个不断发展的领域,神经工程(neuroengineering)采用先进的技术来操纵神经元。这个学科的科学家们能够开发中枢神经系统和外周神经系统的疾病模型,以便理解神经系统疾病,并为神经组织工程构建出下一代的生物材料。直接重编程成纤维细胞(一种体细胞)等成熟细胞并将它们转化为神经元的能力也呈现出很好的治疗潜力。神经工程技术旨在设计和构建广泛的应用来调节神经元。

神经科学家最近证实人大脑组织脱细胞后的大脑胞外基质(brain extracellular matrix, BEM)能够将原代小鼠胚胎成纤维细胞直接转化为实验室诱导的神经元(induced neuronal cell, iN)的过程加以简化。将在BEM上产生的iN细胞移植到缺血性中风动物模型的大脑中,导致运动行为的显著改善。这项研究还证实将三维BEM水凝胶与一种微流体系统相结合能够重建大脑样微环境,这会更高效地促进直接重编程和神经元转化,从而促进动物在接受细胞移植后经历功能恢复。相关研究结果发表在2018年7月的Nature Biomedical Engineering期刊上,论文标题为“Three-dimensional brain-like microenvironments facilitate the direct reprogramming of fibroblasts into therapeutic neurons”。
图片来自Nature Biomedical Engineering, doi: 10.1038/s41551-018-0260-8。

在神经元重编程期间,这种构建出的三维系统被认为刺激YAP(Yes-associated protein)蛋白和组蛋白修饰,从而进行机械敏感信号转导。这种三维BEM水凝胶还可能提供微环境记忆来保持在这种转化过程中获得的iN细胞的功能表型。在这项研究中,Seung-Woo Cho及其同事们首先从人类供者大脑组织中提取出大脑胞外基质,随后构建出大脑特异性天然成分的可溶性混合物。这种可溶性混合物随后用于开发和测试二维表面涂层或三维系统来培养在实验室中经历直接神经元编程的成纤维细胞。

正如这项研究中观察到的利用成纤维细胞转化为神经元,在组织特异性转录因子的存在下,可将成熟的体细胞直接转化成不同的细胞类型,这一过程被称为转分化(trans-differentiation)。与典型的病毒运送系统不同的是,质粒被用作生物医学运送载体,通过电穿孔将神经组织特异性元件(包括BAM因子)转染到成纤维细胞中,从而诱导神经元转分化。这项研究证实BEM显著地加快直接神经元重编程,这是因为iN细胞在实验室的细胞分化条件下早在第14天就显示出电生理功能和成熟神经元的标志物表达。免疫细胞化学和遗传分析显示相比于经常用来制造二维胞外基质(extracellular matrix, ECM)涂层的层粘连蛋白和纤连蛋白等常规生物材料,这种BEM会改善生长和分化。

在实验室中完成广泛的基因表达谱分析和电生理学测试来描述iN细胞的特征之后,科学家们将基于BEM的iN细胞移植到表现出缺氧性脑损伤的缺血性脑中风成年小鼠模型中,以观察它们的治疗潜力。除了神经发生外,iN细胞移植的旁分泌作用恢复了这些小鼠的运动协调能力和移动技能,这就展示了它们的治疗效果。

有趣的是,相比于二维 BEM,在三维BEM水凝胶上培养的细胞显示出更高的神经元标志物表达水平,这表明大脑样仿生微环境能够提供最佳的生化和生物物理信号来指导细胞重编程。研究人员随后巧妙地将三维BEM水凝胶与一种微流体系统(3-D μBEM)结合,在一种受限的微环境中扩大iN细胞的自分泌和旁分泌信号,从而促进神经元转分化。

当在大脑样3-DμBEM环境中经过重编程产生的iN细胞经收集后移植到缺血性中风小鼠模型中时,研究人员观察到功能性恢复和治疗疗效。为了阐明其中的分子机制,科学家们提出,三维大脑样微环境中的生物物理线索可能特异性地诱导YAP定位到细胞质中,从而促进神经元转分化。相反,正如这项研究中观察到的那样,坚硬的二维环境诱导YAP定位到细胞核中,从而抑制与神经发生相关的基因表达。

这项研究揭示了直接神经发生的分子机制,以及设计和开发加以优化的生物材料来改进神经重编程的策略,从而能够在实验室中重现这种神经元重编程。大脑样三维仿生微环境能够提供生化、生物物理、机械和表观遗传刺激,从而有效地重编程神经元。这项研究的主要发现可在未来加以转化,以便设计合成大脑样基质,从而为神经工程中的再生和医疗应用产生安全的iN细胞。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Jin et al. Three-dimensional brain-like microenvironments facilitate the direct reprogramming of fibroblasts into therapeutic neurons. Nature Biomedical Engineering, 11 July 2018, doi:10.1038/s41551-018-0260-8

2.Lee et al. Liver extracellular matrix providing dual functions of two-dimensional substrate coating and three-dimensional injectable hydrogel platform for liver tissue engineering. Biomacromolecules, 2014, doi:10.1021/bm4015039

3.Song et al. Heart repair by reprogramming non-myocytes with cardiac transcription factors. Nature, 2012, doi:10.1038/nature11139

4.Qian et al. In vivo reprogramming of murine cardiac fibroblasts into induced cardiomyocytes. Nature, 2012, doi:10.1038/nature11044

5.Luni et al. High-efficiency cellular reprogramming with microfluidics. Nature Methods, 2016, doi:10.1038/nmeth.3832

6.Downing et al. Biophysical regulation of epigenetic state and cell reprogramming. Nature Materials, 2013, doi:10.1038/nmat3777

7.Ranga et al. 3-D niche microarrays for systems-level analyses of cell fate. Nature Communications, 2014, doi:10.1038/ncomms5324

8.Musah et al. Substratum-induced differentiation of human pluripotent stem cells reveals the coactivator YAP is a potent regulator of neuronal specification. PNAS, 2014, doi:10.1073/pnas.1415330111


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