力学引导下神经元轴突微延伸远距离生长及髓鞘化移植修复脊髓损伤研究

Axonal distal growth orderly and myelination is spinal anatomy basis for the realization of the function of neural network after injury. Due to inhibit biological micro-environment during spinal cord injury acute period and local physical environment obstacles , cause nerve network growth disorderly and limited nerve regeneration. Research show before, low-frequency pulse mechanical loading may contribute to mature of neural network ordered arrangement ，and affected stem cell differentiation . Because of the spinal cord neurons long axon and special mechanical growth environment, nerve cell growth is always in the micro- environment of low tension. This research intends to study the certain parameters of low tension mechanical load on the axonal tensile, exploring the characteristics of neuronal axons distal extension, mature and orderly growth; study of axonal myelination response regularity and mechanism through with oligodendrocytes co-culture under the mechanical environment ; implant myelination neurons hydrogel scaffolds into transected spinal cord injury model of rat, axonal connections between transplanted cells and host , network formation and functional recovery was observed. Based on the principle of biomechanics, combined with spinal nerve tissue engineering techniques and methods, aims to improve the regeneration of nerve function after spinal cord injury in long distance.

神经元轴突的有序远端生长和髓鞘化是脊髓损伤后神经网络功能实现的解剖基础。由于损伤部位急性期抑制性生物微环境及局部物理环境的阻碍，导致神经网络的无序生长和有限的神经再生。课题组之前的研究初步显示，低频脉冲力学载荷有助于神经网络的成熟和有序排列，并影响神经干细胞的分化方向。鉴于脊髓神经元较长的轴突和特殊的力学生长环境，本课题拟通过研究一定参数低张力力学载荷对神经元轴突的拉伸，探索神经元轴突远端延伸、成熟和有序生长的特点；通过力学环境下与少突胶质细胞共培养，初步研究轴突髓鞘化的力学响应规律及机制；将载有力学延伸后定向有序轴突髓鞘化神经元的水凝胶支架，植入大鼠全横断脊髓损伤模型，观察移植细胞与宿主轴突之间的联系、网络形成及功能恢复。该研究基于生物力学原理，结合脊髓神经组织工程技术及方法，旨于提高脊髓损伤后神经远距离功能化再生。

中枢神经损伤近年来的发病率呈上升趋势。在中枢神经损伤治疗康复过程中，神经干细胞的移植起着举足轻重的作用，但修复外周和脊髓损伤是一项艰巨的挑战。因此，神经干细胞的体外培养十分重要。传统的轴突生长知识通常只考虑早期发育，但实际上动物在发育过程中的继续生长速度依然可观。.在课题组成员的共同努力下，顺利完成了相关内容，主要包括四个方面：1）NSCs定向往神经元及少突胶质细胞诱导分化，神经元与少突胶质细胞共培养及髓鞘化程度研究。2）基于神经组织工程构建的生物反应器研制，研究不同参数拉伸力学载荷下神经元轴突生长情况，神经元与少突胶质细胞共培养条件下轴突拉伸对髓鞘化的影响。3）多孔胶原/丝素支架联合间充质干细胞可促进创伤性脊髓损伤后神经网络重建及功能修复。4）神经力学和生物学机制的初步研究。.课题组自行设计了一种精确控制神经组织工程生物反应器，误差范围控制在±3%~±8%区间内；热力学传导分析得出在进气口流速为0.5m/s的条件下，反应器内部靠近出气口一端能够形成涡流提高物质交换效率。力学生物学诱导显示，在一定范围内，少突胶质细胞前体细胞分化发育为少突胶质细胞随接种密度成梯度增多，接种密度在4×104/cm2-8×104/cm2范围较为适合，0.2 Hz、87.5 Pa的脉冲力学载荷可明显促进NSCs分化过程中突起的数量及长度，促进神经网络的成熟。研究设计的3D打印仿生脊髓支架的结构高度仿真脊髓结构，生物相容性好，降解时间可控，利于SCI后组织重建和功能恢复。在力学-生物学机制方面，研究显示，Exendin-4可以显著降低SH-SY5Y细胞中RhoA的表达和活化，从而减少Nogo-A-Δ20介导的细胞扩散抑制并保护神经元免受生长锥塌陷。验证了两种外泌体（Nor-Exo和IGF-Exo）均具有神经保护作用，其机制通过上调NSCs外泌体中miR-219a-2-3p表达，下调炎性基因YY1的表达，抑制NF-κB通路，增强NSCs外泌体在SCI中的神经保护作用。.研究团队初步探索了神经组织工程领域力学-生物学响应机制，为神经再生提供了新的思路和科学路径，具有较大科学意义和临床应用前景。