网络化、多功能集成中枢神经损伤、修复与再生微流控芯片的研究及其初步应用

微米、纳米技术，特别是微流控芯片技术的发展及其可精确控制、检测与操纵细胞微环境的特点，为神经科学的研究提供了一有力工具。但是，该技术目前在神经科学中的研究，主要集中在层流、格式化表面等一维微流控芯片及芯片外相关设备的集成。由于其固有的结构特点，无法在芯片内完成多功能与多因素的集成，极大地阻碍了该技术在神经科学中的进一步研究，特别是在中枢神经损伤、修复与再生中的研究。芯片内网络化、多功能的集成及其在中枢神经方面的研究已成为必然。本项目以鼠海马神经元为研究对象，通过芯片内多功能的集成，从空间与时间控制神经元与胶质细胞以及药物的相互作用，在网络化、多功能集成微流控芯片中研究胶质细胞与药物对化学损伤神经元的原位修复与再生作用。籍此，对中枢神经体外研究多功能集成微型设备与微分析方法，以及基于"细胞-细胞"、"细胞-药物分子"相互作用的中枢神经修复与再生新技术、新方法进行探索与研究。

本项目以鼠海马神经元为研究对象，丙烯酰胺为损伤试剂，通过芯片中微阀和多功能区域的集成，从空间和时间控制神经元和有益于神经元再生的胶质细胞（雪旺细胞和星形胶质细胞）以及药物神经节苷脂的相互作用，在网络化、多功能集成微流控芯片中研究胶质细胞和药物对化学损伤神经元的原位修复与再生作用。研究结果发现：(1) 芯片微环境中神经元轴突损伤与常规体外研究结果不同，轴突对丙烯酰胺的损伤表现高耐受，在高于100 mmol/L丙烯酰胺的作用时出现损伤应答，而体外研究中丙烯酰胺作用浓度为60 mmol/L时，神经元损伤凋亡；(2) 芯片内轴突受损神经元在神经节苷脂，星形胶质细胞或雪旺细胞的作用下，可诱导损伤后收缩的轴突再生，而损伤后断裂的轴突无法修复； (3) 芯片内丙烯酰胺局部损伤胞体结果和常规体外研究结果一致，且神经节苷脂作用后受损神经元无法修复；(4) 神经元轴突在丙烯酰胺损伤而导致轴突断裂后，胞体内Ca2+信号未发生明显变化。神经元胞体在60 mmol/L 丙烯酰胺损伤中，发生Ca2+内流并在神经元局部蓄积，最终导致神经元细胞膜破裂；(5) 丙烯酰胺损伤神经元后，损伤神经元与正常对照组神经元相比较Bcl-2基因和GAP-43基因表达较少，Bax基因表达较高，且Bax表达高于Bcl基因表达；损伤神经元在神经节苷脂，星形胶质细胞，或雪旺细胞处理后，与正常对照组比较，Bcl-2基因和GAP-43基因表达较高，Bax基因表达较少，且Bcl表达高于Bax基因表达。表明药物和胶质细胞修复作用均可促使神经元修复再生的Bcl-2和GAP-43基因表达量升高。. 在该项目研究过程中，申请人以通讯作者先后在Anal. Chem.（4篇），Biomaterials（3篇），Lab Chip（3篇），Biosens. Bioelectronics（3篇）等期刊发表学术论文33篇（SCI 论文31篇；英文核心论文2篇），其中影响因子5.0以上SCI论文14篇，单篇最高影响因子7.404，总影响因子大于132；申报国家发明专利2项，授权1项；参编英文专著1部；参加学术会议15次，报告10次；培养博士4名（其中3人分别获2010年和2011年“教育部博士研究生学术新人奖”），硕士13名。