
小鼠施旺细胞与运动神经元在三维通道内形成髓鞘
首尔国立大学(Seoul National University)及合作者在 Science Advances 报道外周神经系统(peripheral nervous system,PNS)芯片。研究让施旺细胞包裹运动神经元轴突,观察髓鞘形成、受损与药物干预,尝试将这些过程放在同一体外平台中评价。
施旺细胞取自出生后小鼠坐骨神经,运动神经元取自胚胎小鼠脊髓。这是小鼠原代细胞模型。作者计划后续采用患者来源的诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)改进人源疾病相关性。
装置包括两侧细胞通道与中间三维凝胶通道,细胞和轴突向中央生长并接触。结构设计帮助保持凝胶界面、减少流动时的剪切,并支持稳定共培养。底部可拆卸,方便取得组织进行蛋白检测和透射电镜分析;共培养可维持超过 40 天。
平台用窄缝保持凝胶界面,以延长的弯曲通道提高流动阻力,并在细胞附着附近加入凸起结构。计算模拟支持这些结构帮助凝胶定位和降低局部剪切。它们服务于稳定共培养;装置的几何设计与细胞形成髓鞘的生物学表现通过不同检测评价。
LPC 降低髓鞘指标,培养小室另检查细胞活力
研究用溶血磷脂酰胆碱(lysophosphatidylcholine,LPC)建立脱髓鞘模型。正常共培养中,施旺细胞逐渐包裹轴突,并形成髓鞘结构;在髓鞘形成后加入 LPC,髓鞘碱性蛋白(myelin basic protein,MBP)逐渐下降,去分化相关 c-Jun 阳性细胞增加。
团队另在 Transwell 共培养中检查两类细胞的活力。测试条件下,施旺细胞活力均高于 93%,运动神经元均高于 80%。这个实验用于检查所选 LPC 条件的细胞保留情况,培养阶段和结构与后来的三维脱髓鞘模型不同。
三维模型中的细胞内钙信号随后降低,电镜也显示较薄髓鞘及洋葱球样结构。作者观察到髓鞘受损时轴突超微结构仍较完整,据此将模型联系到节段性脱髓鞘。蛋白、钙信号与形态描述不同层面的损伤,并未直接测量神经传导速度。
两种药物增加 MBP 与钙信号,结果以 LPC 组为参照
药物比较采用 benzatropine(Benz)与甲钴胺(methylcobalamin,MeCbl)。团队在第 20 天加入候选,并于第 28 天检查相关指标;图 4 描述药物与 LPC 并存的比较条件。因此,实验评价损伤环境中的药物作用,尚未验证撤除损伤因素后的持续恢复。
与仅有 LPC 的模型相比,两种处理后的 MBP 荧光强度分别约为 LPC 组的 6.6 倍和 6.7 倍,蛋白印迹也支持 MBP 增加。两药之间的 MBP 恢复差异未达到显著性;与无 LPC 对照的比较则帮助判断模型内的恢复程度。
钙信号的相对变化分别为 LPC 组的约 1.9 倍和 2.0 倍,与正常对照之间未见显著差异。图 4 的蛋白印迹及钙信号结果注明 3 次使用不同小鼠的独立实验,钙信号每次平均分析 13 个细胞。细胞数量与独立实验数属于不同层级。
免疫荧光、蛋白印迹、钙成像和电镜分别检查髓鞘蛋白、细胞内信号及组织结构。
电镜结果显示髓鞘增厚,恢复程度仍取决于指标
第 40 天的电镜检查显示,两药组髓鞘结构较 LPC 组紧密。团队测量 g-ratio,即轴突直径与包含髓鞘的总神经纤维直径之比;髓鞘越薄,该比值通常越高。图 5 的比较来自至少 7 次使用不同小鼠的独立实验。
正常对照、LPC、Benz 和 MeCbl 条件的比值(均值 ± 标准误)分别为 0.6 ± 0.02、0.9 ± 0.008、0.7 ± 0.05 和 0.7 ± 0.04。两药组均优于 LPC 组;MeCbl 与正常对照的差异未达显著性,Benz 则仍有差异。Benz 在 MBP 和钙信号中有明显改善,但其超微结构仍与正常对照存在差别,各指标的恢复程度需要分别判断。
作者提出继续加入肌肉细胞,建立更完整的运动单位,并用患者来源人 iPSC 细胞改进疾病相关性。当前平台已完成两种候选的模型内比较;人源可重复性、长期效果及对真实外周神经病变的预测,仍需要相应研究。