观察原始神经细胞在3D支架中生长，治愈脑损伤

杜克大学的研究人员捕捉到了年轻神经细胞在一个新的3D合成生物相容性结构中移动和生长的长达数天的延时视频。通过观察细胞对嵌入在材料中的自然生化信号的反应，生物医学工程师希望开发出生物凝胶，可以修复和再生中风或其他创伤后的脑组织。

修复和再生脑组织是一项艰巨的任务。如果放任自流，大脑在遭受损伤(如中风)后不会再生失去的突触、血管或其他结构。死亡的脑组织被吸收，留下一个空洞，没有任何健康脑组织的识别。

但这并没有阻止研究人员尝试让受损的大脑再生。生物医学工程师常用的一种方法是为不同的脑组织碎片提供一种新的媒介，装载各种营养物质和生物指令以促进生长。

虽然该领域的科学家们一直在寻求一种同质的、凝胶状的生物材料来支持神经再生，但杜克大学生物医学工程教授Tatiana Segura开发了一种不同的方法。她的生物材料是由数百万微小的胶状球体堆积在一起形成一个稳定的支架，以促进各种类型的愈合和生长。

瑟古拉说:“其他大多数实验室使用的非多孔水凝胶有点像一大块果冻，细胞必须在吸收它之后才能重新生长。”“我们的更像是装在盒子里的软橘子，它提供了一堆口袋和空间，细胞可以从中移动和生长。”

这种被称为微孔退火颗粒(MAp)支架的橘子箱方法，已经被证明在大量组织如皮肤和骨骼中很有前景。2018年，研究表明，它可以减少炎症，促进神经祖细胞(NpC)迁移到中风病灶。

这一观察结果促使塞古拉实验室的博士候选人卡特里娜·威尔逊(Katrina Wilson)设计MAp支架，以进一步指导这些祖细胞的分化。神经祖细胞不像干细胞那样成熟和灵活，即使不是全部，也仍然能够成为大脑中大多数类型的细胞。如果能够告诉他们去哪里，成为什么样的人，将会是开发大脑修复疗法的福音。

在人体中，干细胞和祖细胞对周围发现的各种结构和蛋白质的生物线索作出反应。其中一种指令来自构成人体生物支架的层粘连蛋白，这种生物支架被称为细胞外基质。

在这篇新论文中，Wilson在她的合成MAp支架中嵌入了这些被称为多肽的蛋白质的不同组合，然后观察发生了什么——毫不含糊。她制作了几天的延时视频，展示了祖细胞对肽涂漆的MAp支架的反应。

塞古拉说:“随着时间的推移，我们看到细胞附着在支架上，并实际移动它。”“我们过去认为它只是一个让孩子们在上面玩的方格架。但这不是我们看到的，细胞对支架施加物理力，足以使其移动。”

然而，这一观察结果并不适用于所有的肽鸡尾酒。用不同的肽修饰的MAp支架最终会变成称为神经球的小球，神经球不会移动支架，而是在不同的深度上下跳动，同时保留了选择不同成熟路径的能力。威尔逊说，这两种结果都可以用于各种各样的医疗应用。

“神经球有很大的潜力用于研究发育性神经毒性或药物筛选，细胞扩散和分化高度适用于我们正在进行的促进中风后组织再生的工作，”威尔逊说。“虽然大多数用于这类工作的平台都停留在二维空间中，并不能很好地模拟三维物体中发生的事情，但我们的平台是3D的，可以为测试和理解npc的工作方式提供一个很好的模型。”

威尔逊说，有许多潜在的研究途径，她的下一步是利用她所学到的知识，将整套肽信号应用到实验室的小鼠中风模型中，看看它是否能增强细胞招募和血管和神经再生的反应。

这项研究得到了美国国立卫生研究院和美国国立神经疾病和中风研究所的支持(R01NS079691)。