集成微流控大规模神经网络式脑缺血模型构建及轴突变性分子机制研究应用

Brain ischemia as an acute cerebrovascular disease, is one of the key points in the research field of modern life science and clinical medicine. Comparatively, the traditional in vivo research models can not realize a dynamic monitoring and analysis of cell activity. Meanwhile, the macro-manipulation is still the main way in the study of cell biology by using common in vitro methods. Therefore, it is necessary to develop a novel in vitro neurobiology model, which can be used for neuronal cell manipulation at microscale resolution, for simulation of extracellular microenvironment and for controllable cell analysis in a dynamic manner. This could improve the brian exploration in life science, and also speed finding a new therapy of clinical neuroscience. In this project, we plan to develop an array-like neuronal cell culture, the formation of large-scale neuronal networks, and then the construction of brain ischemia model with the ability of multiple sites controllable by using an integrated microfluidic device. Furthermore, the research on neuronal injury, apoptosis, and molecular mechanism of axonal degeneration will be carried out based on the established model, and the microfluidic methods will be explored too.

脑缺血作为一种急性脑血管疾病，是现代生命科学和临床医学研究领域关注的重点之一。目前，传统体内研究模式缺乏对细胞活动实时动态监测与分析能力；同时，常规体外细胞研究模式仍处于一种宏观界面操作水平。因此，开发新型体外神经生物学模型，用于开展微米级尺度下的神经细胞操作、细胞外微环境模拟以及细胞可控制性动态分析，将有助于推动神经细胞生命探索进程，并有利于加快寻找新的临床治疗途径。本项目拟采用集成微流控芯片技术进行芯片内阵列化神经细胞培养、大规模神经网络形成以及多位点可控的脑缺血损伤模型构建，并进一步开展基于该芯片模型的神经损伤、凋亡动态分析和轴突变性分子机制研究应用及其相关技术方法学的探索。

针对传统体外宏观界面神经科学研究方法局限性，发展微观界面神经生物学研究技术，有助于实现更加快捷、实时动态、高度精确的神经细胞操作及分析。本项目借助微流控芯片技术的微米级尺度细胞操作与分析能力，开展神经细胞与神经网络相关系列操作与分析方法学研究。该研究首先采用多层软光刻技术，优化制备了多层集成与微腔阵列式细胞芯片；然后开展了不同微液流环境和不同生长界面条件下神经细胞接种、生长培养及大规模神经网络形成操作优化，并进一步实现了多位点控制的脑缺血芯片模型构建；基于此，进而完成了神经损伤干预与凋亡动态分析及轴突变性分子机制相关研究应用。本项目研究过程中，通过采用集成微流控技术，我们建立了可用于神经细胞培养、神经网络与脑缺血仿生模拟的系列化微操作系统，探究出了能够在微流控芯片内实现神经网络时间与空间控制性操作、神经细胞样本定位控制性回收及神经细胞基因RNA干扰相关操作的新方法，拓宽了微流控芯片技术在神经生物学方面的应用潜能，为进一步推动体外脑血管疾病研究模式的实时动态化与微型化发展提供了新的技术途径。本项目的研究内容与预期目标均已实现，共发表SCI论文7篇（含2篇在线发表），其中影响因子5.0以上SCI论文6篇，总影响因子大于40；获陕西省科学技术奖二等奖1项；申报国家发明专利2项，其中授权1项。