bFGF-CRS活性生物材料激活内源性神经发生修复成年脑皮质损伤的研究及机理探讨

Treatment of traumatic brain injury is still an unsolved worldwide problem. Neural stem cells in the adult mammalian central nervous system (CNS) hold the key to neural regeneration after brain injury. In the previous study, our team demonstrated that implanting bio-active material, bFGF-CRS, and cultured neural stem cells into the adult hippocampal injury site could induce implanted cells to differentiate to mature neurons and build functional neural networks with the host. Based on the previous study, this project aims to observe the brain injury repair by bFGF-CRS via enhancement of endogenous neurogenesis, rather than transplantation of exogenous cells, and to explore the repair mechanism. After the adult aspiration brain injury, bFGF-CRS is immediately implanted into the injury area.Immunohistochemistry staining is used to observe regeneration of new neurons. Virus neural tracing, optogenetics and electrophysiology are used to detect reconstruction of functional neural circuits. Droplet based single-cell RNA sequencing is used to explore the mechanism of brain injury repair. To demonstrate that endogenous neural stem cells (NSCs) are involved in the regeneration of newly-born neurons and restoration of motor functions, nestin-CreERT2 mice are crossed with tdTomatofl mice to result in Nes-CreERT2; tdTomatofl linage tracing mice. Time-lapse imaging is used to observe the activation, migration and neuronal differentiation of endogenous NSCs during repair in adult linage tracing mice. New neurons are removed by NSE-DTA transgenic mice to further validate direct involvement of endogenous neurogenesis into the functional recovery after brain injury.

创伤性脑损伤的治疗是尚未解决的世界性难题。成年哺乳动物脑内存在神经干细胞，为脑损伤后动员内源性修复机制提供了应用价值。近年来，生物材料在修复脑损伤方面取得了一定进展。本团队前期研究证明：活性生物材料与外源性神经干细胞一并移植入成年大鼠海马损伤区，可诱导移植干细胞分化为成熟神经元并整合入宿主环路。本项目在前期研究基础上,旨在不应用外源性细胞移植探讨活性生物材料bFGF-CRS激活内源性神经发生修复成年脑皮质损伤及其机理。成年小鼠皮质吸除性损伤后，立即植入活性生物材料，组织学染色观察新生神经元产生；病毒神经示踪、光遗传学和电生理等检测功能性神经环路重建；单细胞测序技术阐明活性生物材料修复脑损伤的机理。为了证明内源性神经发生直接参与脑损伤修复，使用Nestin谱系示踪小鼠，实时影像技术动态观察神经干细胞的激活、迁移和神经向分化；NSE-DTA小鼠去除新生神经元验证神经干细胞的激活参与功能恢复。

创伤性脑损伤的治疗是尚未解决的世界性难题。成年哺乳类脑内存在神经干细胞，为脑损伤后动员内源性修复机制提供了可能。近年来，生物材料在修复脑损伤方面取得了一定进展。本团队前期研究证明：活性生物材料与外源性神经干细胞一并移植入成年大鼠海马损伤区，可诱导移植干细胞分化为成熟神经元并整合入宿主环路。本项目在前期研究基础上，旨在不应用外源性细胞移植，探讨bFGF-CRS活性生物材料激活内源性神经发生修复成年脑皮质损伤。成年小鼠皮质吸除性损伤后，立即植入活性生物材料，组织学染色观察新生神经元产生；脑片膜片钳检测新生神经元的电生理特性；病毒神经示踪、光遗传学结合电生理检测功能性神经环路重建；谱系示踪小鼠观察内源性神经干细胞的激活、迁移和分化；单细胞RNA测序进一步明确再生脑组织的细胞类型。研究结果显示，bFGF-CRS活性生物材料促进损伤区内层特异性新生神经元的产生，且新生神经元具有电生理特性，可以重建皮层功能性神经环路。化学遗传学证实，损伤区内的新生神经元直接参与了小鼠感觉运动功能的恢复。Nestin谱系示踪实验表明：脑损伤后植入bFGF-CRS活性生物材料可以激活SVZ的神经干细胞，促进其向损伤区迁移和神经向分化，选择性去除Nestin阳性细胞后，小鼠运动功能的恢复被逆转。单细胞RNA测序结果进一步证明：再生的脑组织包含神经干细胞、成神经细胞、神经元和神经胶质细胞等至少14个不同的细胞群，神经元细胞群体差异表达的基因均为神经元特有，且这些基因参与的生物学事件均与神经元功能有关。本研究通过激活成年内源性神经发生实现了脑损伤后的神经元再生和功能性环路重建，补充了我们之前提出的“内源性干细胞孵化”假说，丰富了人类对相关领域知识的认识，同时为临床应用活性生物材料治疗脑损伤等中枢神经系统疾病提供了理论基础和实验依据。