直流电场对神经细胞的诱导迁移作用和机制研究

Direct current electric field (EF) recently has been proved an important signal in biology which can guide various types of cells directional migration and function in wound healing and other physiological or pathological processes. However, the fundamental molecular mechanism of guiding neural cells directional migration is unclear. Meanwhile, no investigation has been performed on the EF guiding effects on injured neural cells or human neural cells. Based on our findings from the pilot experiment and combined with the advantages of the clinical recourses, this project will culture rat neural cells in vitro and advance the EF stimulation strategy before the exploration of the differential genomic profiles. Gene ontology (GO) categories, pathway analysis, and other bioinformatic analysis are scheduled for constructing the functional network and key genes of the differential expressed profiles after EF stimulation. With the injured models of neural cells in vitro and the cultured human neurons and astrocytes from the patients who suffered from traumatic brain injury, we are also aiming to verify the EF guiding effects on the injured neural cells and the effects directly on the human neural cells. Thus, the project will firstly systematically explore the guiding effects of direct current EF on neural cells and the underlying molecular mechanisms. The study will provide novel molecular targets in further mechanism exploration of neural cell migration, and illustrate a new strategy in studying the migration properties of neural cells.

直流电场是近年发现的重要生物学信号，能诱导多种细胞定向迁移运动、参与创伤修复等生理和病理过程。然而，电场刺激对神经细胞诱导作用的关键分子机制尚未明确，同时对损伤后神经细胞的作用、对人源性神经细胞的诱导迁移作用尚属研究空白。我们结合预实验发现和自身优势，拟体外培养大鼠神经细胞，优化电场刺激方案，继而运用基因芯片技术筛选出差异表达基因谱，通过Gene Ontology分类、Pathway显著性分析等生物信息学手段，构建电场干预诱导神经细胞定向运动的靶向基因功能网络，确定关键途径和分子；采用大鼠神经细胞体外损伤模型，明确外加电场诱导的迁移特性；培养脑损伤病人手术摘除脑组织的神经元和神经胶质细胞，进行体外电场干预实验，明确人类神经细胞的趋电运动特性。从而，系统性地对直流电场诱导神经细胞的迁移作用及其机制进行探索，为深入进行机制研究提供干预靶点，也为神经细胞运动特性的研究提供新的研究策略。

神经细胞有方向性的迁移运动在神经系统的发生、发育和损伤后的修复再生中都发挥重要作用。直流电场，作为一个强有力影响细胞生物学行为的物理信号，能诱导多种细胞定向迁移运动、参与创伤修复等生理和病理过程。然而，直流电场刺激对人源性神经细胞的诱导迁移作用尚属研究空白，直流电场的在体应用尚有技术困难，对各种神经细胞（特别是损伤后细胞）的诱导迁移作用尚无系统观察以及相关分子机制研究。本课题基于前期研究发现及自身优势，1、成功培养了脑损伤病人手术清除脑组织的星形胶质细胞，首次发现其向正极定向迁移；同时细胞形态发生显著变化，呈垂直于电场方向的拉伸状态；2、系统比较了人源性、鼠源性正常及损伤后星形胶质细胞的趋电特性，发现鼠源性星形胶质细胞趋电性不明显，表现为神经细胞趋电反应的种属差异性；3、大鼠神经元培养后直流电场刺激，耐受性差；而低温预处理能减少脑损伤后神经元死亡，提示可结合低温技术探索直流电场诱导神经元迁移运动；4、成功标记人源性神经干细胞（EGFP-hNSCs），体外实验表现为向负极定向迁移，方向性、运动能力的改变和未做标记的神经干细胞一致；5、克服在体加电技术困难环节，成功在体加电并直接检测到电场强度、方向等参数；6、首次在体加电并诱导移植的EGFP-hNSCs定向迁移，在直流电场和修复再生研究中推进了极其重要的一步； 7、首次发现直流电场能诱导小胶质细胞向负极定向迁移，初步结果提示对小胶质细胞的表型转变有可能的影响；8、在推进到系统的分子机制探索之前，顺利开展了颅脑创伤后lncRNA的组学研究，筛选出271个变化的lncRNA，并进一步做了生物信息学挖掘及验证，从而为神经细胞趋电特性分子机理的系统研究奠定了基础。综上所述，本项研究首次系统地对人/鼠源性的各类神经细胞进行了体外/体内直流电场刺激研究，收获了多项最新发现，为神经细胞运动特性的研究提供了新的研究策略，为深入进行分子机制研究提供了可能的研究角度和切入点。