生理电场调控人神经干细胞体外构建工程化神经组织的研究

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目的:以人神经干细胞(Human Neural Stem Cells,hNSCs)为种子细胞,以Matrigel水凝胶为三维基质支架,应用生理电场(Physiological Electric Fields,EFs;150 mV/mm)调控人神经干细胞(Human Neural Stem Cells,hNSCs)的分化、突起生长和成熟,在体外构建工程化人神经组织(Human Engineered Neural Tissue,hENT),并对其进行组织学及功能学检测。为治疗中枢神经系统疾病以及提供更接近体内神经组织的三维模型提供新思路。方法:采用悬浮培养法体外培养扩增hNSCs,以Matrigel为支架材料并通过EFs调控hNSCs在三维(Three dimension,3D)Matrigel中分化、生长,构建有序的hENT。在体外不同时间点,应用免疫荧光化学染色技术、3D组织共培养技术以及钙离子成像技术,在细胞、组织与功能等多个层面检测hENT的细胞组成与组织结构、神经突触与髓鞘形成分布以及神经网络活动,对所构建的hENT进行组织结构与功能的分析。结果:(1)hNSCs悬浮培养形成神经球(Neurosphere),免疫荧光化学染色结果证明:这些Neurosphere表达NSCs的特异性标记物Musashi1和Nestin;(2)在不同时间点检测hENT中细胞的分化表型和组成,结果表明:EFs刺激后培养至14d,Tuj1阳性细胞的比率从第3d的18.67±2.69%增加到68.53±4.28%;培养28d之后,MAP2阳性细胞达到了72.48±7.28%;培养24d时,hENT中有35.3%的细胞表达谷氨酸能神经元早期标志物Tbr1;到45d时,hENT中检测到大量终末分化的成熟神经元亚型:VGLUT1阳性的谷氨酸能神经元和GABA阳性的氨基丁酸能神经元;(3)激光共聚焦显微镜全景扫描体外培养28d的hENT,MAP2阳性神经元分布均匀,整个组织中都可以观察到突触素的表达;电子显微镜下可以进一步清晰地观察到神经元之间形成的突触和髓鞘,说明工程化神经组织内复杂神经网络的形成;(4)将hENT与EGFP工程化小鼠神经组织(EGFP-mENT)进行共培养,免疫荧光化学染色检测结果表明,在hENT中检测到了EGFP+/MAP2+双阳性的小鼠神经元,同时在EGFP-mENT中也检测到了EGFP-/MAP2+的人神经元以及其它神经元之间突触素的表达;(5)在EGFP小鼠脑皮质片(EGFP-m Cerebral Slice)与hENT共培养体系中,在hENT中检测到了EGFP+/MAP2+双阳性的小鼠神经元,同时在EGFP-m Cerebral Slice中也检测到了EGFP-/MAP2+的人神经元以及其它神经元之间突触素的表达;(6)钙离子成像结果表明:体外构建的hENT中存在神经元之间钙离子的传导活动。结论:(1)EFs的刺激可以促进hNSCs在3D Matrigel中向神经元的分化、生长以及成熟,并形成不同功能性神经元亚型;(2)应用EFs刺激构建的hENT是可以在体外存活至少45~48d的具有一定生命力的活体组织;(3)体外构建的hENT内形成了具有大量突触和髓鞘的有序神经网络;(4)EFs诱导的hENT与其它神经组织共培养,不同来源的细胞相互之间能够形成突触连接,轴突相互投射,产生神经网络活动。
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