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【导读】 电刺激有望增强神经干细胞的神经元分化，以治疗创伤性脑损伤。然而，一旦干细胞离开刺激材料并在移植后迁移，对它们的电刺激就会减少。在这项研究中，团队用无线电纳米贴片包裹干细胞，即导电石墨烯纳米片。植入纳米贴片包裹的干细胞，并暴露于旋转磁场30分钟/天的脑损伤雄性小鼠，在28天内表现出脑组织、行为和认知的显著恢复。 2024年8月22日， 山东大学晶体材料研究院仇吉川团队在期刊《Nature Communications》上发表了题为“Wrapping stem cells with wireless electrical nanopatches for traumatic brain injury therapy”的研究论文。这项研究为对移植的干细胞进行个体化电刺激，以治疗神经退行性疾病，开辟了一条新途径。 https://www-nature-com.libproxy1.nus.edu.sg/articles/s41467-024-51098-y 研究介绍 01 创伤性脑损伤（TBI）是全球残疾和死亡的主要原因之一。TBI涉及大脑的机械损伤，并引发广泛的皮质网络异常，包括功能神经元的死亡和突触回路的损伤。神经干细胞（NSC）疗法的使用，显示出通过用新形成的神经元，替换受损神经元，来重建神经元回路和恢复脑组织的潜力。由于在指导移植细胞在损伤微环境中分化为功能性神经元方面存在困难，NSC的治疗性能，受到相当大的限制。 脉冲电刺激是增强神经发生和治疗神经退行性疾病的有效策略。然而，传统的电刺激可能会导致额外的受伤、炎症和感染风险。更重要的是，将传统的电极与干细胞一起注射，并精确地将电刺激应用于单个细胞，是很困难的。基于电磁感应的无线电刺激或压电效应，在神经再生和神经调节领域，受到了相当大的关注。例如，能够在超声波下产生无线电刺激的压电材料，已被用于治疗帕金森病和脊髓损伤。然而，无线刺激，不能单独刺激移植的干细胞。 在这项研究中，团队建议使用石墨烯纳米片，作为纳米贴片来包裹NSCs的膜，以原位产生电信号刺激NSCs的神经元分化，实现有效的TBI治疗。这些包裹的NSCs在周期性磁场作用下，可以有效地分化成新的功能神经元，从而显著改善损伤脑组织的修复，TBI小鼠的行为和认知缺陷。 无线纳米贴片刺激，促进NSCs分化和TBI修复的示意图。 研究进展 02 纳米贴片介导的无线电刺激促进神经元分化 在周期性磁场作用下，用纳米贴片包裹NSCs，可促进NSCs的神经元分化，其促进作用与纳米贴片的浓度有直接相关关系。然而，随着电纳米贴片的浓度从60μg mL上升到90μg mL，干细胞的MAP2和Tuj1的表达，没有明显差异。 尺寸为1.5–5μm的石墨烯纳米贴片， 在促进NSCs神经元分化方面表现最好。这可能是因为尺寸为0.4-1.5μm的石墨烯纳米片附着在细胞膜上后，容易被内吞，而大小为5-10μm的石墨烯纳米片的数量，与相同质量浓度下的其他两种类型的石墨烯纳米片相比太少， 这两者都会降低刺激膜上受体的效率。 在旋转磁场下，纳米斑块介导的无线电刺激，显著促进了神经元分化。与Ctrl组相比，Nanopatch+MF组在第5天和第10天GFAP的表达，分别下降了0.5倍和0.7倍，进一步证明了旋转磁场下的纳米贴片， 促进了NSCs在神经胶质细胞上分化为神经元。 Nanopatch+MF组MAP2阳性细胞比例约为41%，也远高于Ctrl组（16.8%）、仅MF组（17.2%）和Nanopatch组（18.5%）。与Ctrl组相比，Nanopatch+MF组表现出更高的神经突复杂性和更大的神经突长度，表明其经历了更高程度的神经分化。当培养时间增加到10天时，团队还观察到Nanopatch+MF组中Tuj1和MAP2的表达较高，神经突发育时间更长。Nanopatch+MF组NSCs的Tuj1和MAP2表达量最高，GFAP表达最低。综上所述，在纳米贴片包裹NSCs后，纳米贴片产生的无线电刺激，大大增强了它们的神经元分化。 在纳米贴片上产生的个体化无线电刺激，促进了纳米贴片包裹的NSCs的神经元分化。 纳米贴片介导的无线电刺激用于TBI治疗 与其他TBI小鼠相比，TBI+NSCs+Nanopatch+MF组的小鼠表现出更强的记忆能力，包括植入未包裹NSCs的小鼠。TBI+NSCs+石墨烯+MF组的小鼠，在NORT测试中也表现出对新物体的显著关注。与TBI组或TBI+NSCs组相比，这些小鼠的探索时间为2倍和1.4倍，表明使用纳米贴片包裹的NSCs治疗后，小鼠与学习和记忆相关的认知能力得到了改善，该NSCs在旋转磁场下实现了个体化的电刺激。TBI+NSCs+石墨烯+MF组的潜伏期时间比TBI小鼠长2.7倍，表明小鼠的运动功能有所改善。上述行为测试结果表明，在600转/分旋转磁场下，将纳米贴片包裹的NSCs移植到TBI小鼠体内， 提高了小鼠的运动和记忆恢复。 与其他组的TBI小鼠相比，移植了用纳米贴片锚定的NSCs并用磁场处理的小鼠（TBI+NSCs+Nanopatch+MF），显示出最完整的组织。TBI+NSCs+Nanopatch+MF组皮质病变组织丢失量，较TBI组减少3.5倍。与Sham组相比，由于脑组织损伤，TBI组组织腔明显增加，Nissl密度显著降低。植入未包裹的NSC导致腔体略有减少，Nissl密度略有增加。然而，植入包裹的NSCs并暴露于旋转磁场中，显著减少了空腔并提高了Nissl强度。上述结果表明，在包裹单个NSCs的纳米贴片上产生的无线电刺激， 可以显著提高基于NSC的治疗中受伤脑组织的恢复。 TBI+NSCs组和TBI+NSCs+MF组病变部位，与PKH26染色的NSCs重合的DCX和NeuN阳性神经元较少，表明大部分植入的干细胞未分化为神经元。在TBI+NSCs+Nanopatch组中，更多的DCX-和NeuN阳性细胞与PKH26染色的NSCs合并，表明纳米贴片本身略微促进了移植NSCs的神经元分化。在TBI+NSCs+Nanopatch+MF组中，小鼠的DCX和NeuN阳性细胞，与PKH26染色的NSCs的融合程度最高。上述结果表明，纳米贴片驱动的个体化电刺激， 可以增强植入干细胞在病变部位的分化， 促进TBI的恢复。 术后第30天，团队在麸皮组织中发现了具有典型石墨烯拉曼光谱图案的石墨烯纳米片，表明石墨烯纳米贴片在30天内在体内没有显著降解。与TBI组相比，TBI+NSCs、TBI+NSCs+MF、TBI+NSCs+Nanopatch、TBI+NSCs+Nanopatch+MF组在第30天的炎症和神经胶质激活减少。在所有组中，TBI+NSCs+Nanopatch+MF组的炎症和神经胶质激活最少，这可能是由于该组NSCs神经元分化增强所致。与TBI+NSCs组相比，TBI+NSCs+Nanopatch在损伤部位显示出相似的炎症和神经胶质激活，表明石墨烯纳米片在体内不引起炎症和神经胶质激活。此外，石墨烯纳米贴片在体外，也没有引起BV2小胶质细胞的M1活化。上述结果表明，尽管石墨烯纳米贴片在30天内，未在体内发生明显降解， 但它们在小鼠体内具有良好的生物相容性， 这保证了无线电纳米贴片未来用于治疗TBI的转化。 用纳米贴片包裹的NSCs处理后TBI小鼠的行为分析，这些NSCs受到旋转磁场的单独刺激。 研究结论 03 团队制备了一种无线电纳米贴片，可以包裹细胞膜并产生无线电刺激，以增强NSCs向功能性神经元的分化。包裹的NSC移植，增强了损伤脑组织在变化磁场下的修复。无线电纳米贴片在基于干细胞的神经损伤和神经退行性疾病治疗中，具有广阔的前景。需要注意的是，由于永磁体和旋转电机的限制，团队目前用于提供变化磁场的设置，只能提供160mT的最大磁场和15Hz的最大频率。在未来的实验中，替代装置（例如，经颅磁刺激设备）可以与无线电纳米贴片结合使用。 参考资料： 1.Mass, A. I. R. et al. Traumatic brain injury: progress and challenges in prevention, clinical care, and research. Lancet Neurol. 21, 1004–1060 (2022). 2.Orive, G., Anitua, E., Pedraz, J. L. & Emerich, D. F. Biomaterials for promoting brain protection, repair and regeneration. Nat. Rev. Neurosci. 10, 682–692 (2009). 【关于投稿】 转化医学网（360zhyx.com）是转化医学核心门户，旨在推动基础研究、临床诊疗和产业的发展，核心内容涵盖组学、检验、免疫、肿瘤、心血管、糖尿病等。如您有最新的研究内容发表，欢迎联系我们进行免费报道（公众号菜单栏-在线客服联系），我们的理念：内容创造价值，转化铸就未来！ 转化医学网（360zhyx.com）发布的文章旨在介绍前沿医学研究进展，不能作为治疗方案使用；如需获得健康指导，请至正规医院就诊。 热门·直播/活动 🕓 线上｜08月29日 18:00-20:00 ▶ “单细胞转录组及蛋白组学前沿应用-探寻FFPE样本生物密码”网络研讨会欢迎您的参与！ 🕓 上海｜09月11日 ▶ 微驭万物-单细胞空间组学技术前沿与临床应用研讨会欢迎您的参与！ 🕓 北京｜09月20日-21日 ▶ 第五届单细胞技术应用研讨会暨空间组学前沿研讨会欢迎您的参与！ 🕓 上海｜11月15日-16日 ▶ 2024第一届中国类器官转化医学大会欢迎您的参与！ 点击对应文字 查看详情

该研究首次证明了CHI3L1为NMOSD患者和小鼠模型中成体神经发生缺陷及认知功能障碍的关键分子。抑制NMOSD模型小鼠中的星形胶质细胞分泌CHI3L1可以明显促进成体海马神经发生，并改善认知功能的缺 近日，中山大学附属第三医院脑病中心邱伟/汤常永团队在国际知名期刊Science Advances发表了题为“CHI3L1 signaling impairs hippocampal neurogenesis and cognitive function in autoimmune-mediated neuroinflammation”的研究论文。该研究发现NMOSD患者血液和脑脊液中CHI3L1的表达水平显著升高，并与认知功能障碍相关评分存在相关性。 团队通过NMOSD细胞和动物模型及多种实验方法证实了患者来源或者小鼠来源的AQP4-IgG能够明显地激活星形胶质细胞释放大量炎症因子（包括CHI3L1），并且显著抑制海马神经干细胞的增殖分化，进而造成海马相关认知功能障碍。在星形胶质细胞中特异性敲除CHI3L1，可明显改善NMOSD动物模型小鼠认知功能。同时发现，CHI3L1通过与神经干细胞上CRTH2受体结合的机制抑制β-catenin信号通路，进一步导致神经发生异常和认知功能障碍。 视神经脊髓炎谱系疾病(neuromyelitis optica spectrum disorders，NMOSD)是我国最常见的一种免疫介导的中枢神经系统炎性脱髓鞘疾病。NMOSD患者复发率及致残率高，90%以上的患者呈现反复发作病程，随着对NMOSD认识的加深，NMOSD患者的认知障碍逐渐引起关注。评估NMOSD的认知障碍及其损伤机制、影像学表现及相关治疗理论知识仍极其缺乏。因此，深入研究NMOSD认知功能损害发生的病理生理机制及寻找认知障碍标志物，这将有利于尽早采取有效措施延缓NMOSD认知功能的下降，为NMOSD早期诊断及治疗提供帮助。 AQP4-IgG刺激星形胶质细胞释放多种炎症因子：该研究首先利用RT-qPCR验证了AQP4抗体（AQP4-IgG）可以诱导星形胶质细胞增加CHI3L1的表达。通过免疫荧光染色，进一步阐明了AQP4抗体可激活星形胶质细胞CHI3L1的表达，并导致AQP4表达降低及内化。转录组测序分析发现，AQP4-IgG刺激星形胶质细胞分泌大量的炎症因子（包括CHI3L1）（图1）。 图1：AQP4-IgG可以激活星形胶质细胞分泌炎性因子及CHI3L1 CHI3L1水平与海马认知功能相关性分析: 该研究还对NMOSD患者血清、脑脊液及脑活检病理切片进行了分析，证实NMOSD患者中CHI3L1水平明显升高；通过对海马影像学及相关认知功能评分分析，发现NMOSD患者认知功能下降可能与海马体积改变有关，左、右海马体积与血清中CHI3L1含量成一定负相关；经CHI3L1蛋白刺激后，神经干细胞（NSCs）的增殖和分化被显著抑制；而预先在AQP4-IgG刺激后的星形胶质细胞的条件培养基中加入CHI3L1中和抗体去除CHI3L1，则能够明显改善神经干细胞增殖和分化（图2）。 图2：CHI3L1的表达水平及与海马认知功能的相关性分析 注射AQP4-IgG导致成体神经发生缺陷及认知功能障碍：团队利用脑立体定位注射技术向海马注射AQP4-IgG ，4周后进行相关行为学实验。旷场实验中，注射AQP4-IgG组小鼠运动总路程及中央区域跨越次数均减少；在莫里斯水迷宫(MWM)中，AQP4-IgG组小鼠穿越目标象限的次数减少，寻找到平台所用时间更长。团队进一步将这些小鼠脑冰冻切片进行免疫荧光染色，发现EdU+增殖细胞、EdU+GFAP+Sox2+ 神经干细胞和EdU+GFAP-Sox2+ 前体细胞、BrdU+DCX+未成熟神经元和BrdU+NeuN+成熟神经元的细胞数量均较对照组减少（图3）。 图3：NMOSD海马局部注射小鼠模型中神经发生及认知功能的影响 特异性敲除星形胶质细胞中CHI3L1，可改善NMOSD模型小鼠海马神经发生缺陷及认知功能障碍：本研究进一步应用Chil1flox/flox小鼠，特异性敲除星形胶质细胞中CHI3L1，能够挽救NMOSD动物模型的海马神经发生缺陷及认知功能障碍（图4）。 图4：特异性敲除星形胶质细胞中CHI3L1可改善NMOSD神经发生缺陷及认知功能障碍 CHI3L1/CRTH2通过抑制β-catenin信号通路抑制NSCs增殖和分化：通过免疫荧光共标记发现，仅CRTH2在神经干细胞中表达。并发现CHI3L1蛋白刺激NSCs可以明显抑制β-catenin的表达，而利用表达shRNA的慢病毒敲除NSCs中CRTH2后，β-catenin的表达得到了明显恢复；同时发现，敲降CRTH2受体能够挽救CHI3L1对神经干细胞增殖分化的抑制作用。因此，调控CHI3L1/CRTH2/β-catenin信号通路可以改善NMOSD小鼠模型中神经干细胞增殖分化缺陷（图5）。 图5：CHI3L1抑制海马神经发生的相关受体及下游信号通路 该研究首次证明了CHI3L1为NMOSD患者和小鼠模型中成体神经发生缺陷及认知功能障碍的关键分子。抑制NMOSD模型小鼠中的星形胶质细胞分泌CHI3L1可以明显促进成体海马神经发生，并改善认知功能的缺陷；同时也证明了CHI3L1/CRTH2/β-catenin信号通路在NMOSD成体神经发生相关认知功能障碍中的重要作用。该研究结果不仅深入阐明了NMOSD相关认知功能障碍的新机制，也为改善神经系统自身免疫炎性疾病认知功能障碍提出新的研究靶点。 中山大学附属第三医院姜维博士后、祝帆科研助理、徐辉明博士为共同第一作者，中山大学附属第三医院邱伟教授、汤常永副研究员和美国布朗大学Alvin Huang教授为共同通讯作者。该研究得到了中山大学附属第三医院实验医学部韩晓燕主任、丘秀生、梁淑珍、蔡程程、陈雪芳和胡宇等管理员的支持和帮助。

▎药明康德内容团队编辑  营养过剩和缺乏运动已经成为肥胖和糖尿病流行的关键原因，毋庸置疑，运动对身体有着诸多好处，比如帮助增加脂肪代谢，调节血糖水平。更重要的是，越来越多研究确认，运动在预防癌症和痴呆症方面有着明显效果，我们曾有多篇报道介绍过相关内容。相关阅读：多运动，预防痴呆症！最新研究证实，“运动激素”能清除有害蛋白，缓解阿尔茨海默病症状但与运动直接相关的是肌肉组织会发生什么？在《细胞-代谢》的论文中，来自德国的研究者发现运动除了可能增强肌肉、让肌肉群更加发达这种表面好处，还会深层激发肌肉中调节性T细胞（Treg）的活性，这一变化除了使肌肉更快生长，还会进一步给全身带来潜在好处。从研究分析的数据来看，这部分在肌肉中的Treg表现出了独特的T细胞受体和转录组。其中最值得关注的是，肌肉中的Treg会表达转录因子Fox3，这一分子对生长有着促进作用。此外，与在淋巴系统中的Treg不同，肌肉组织中的Treg在被激活后还会高度表达双调蛋白，该蛋白属于表皮生长因子家族，同样有助于组织生长。所有的一切，都在暗示Treg会帮助肌肉组织再生和修复。▲研究示意图（图片来源：参考资料[1]）为了验证这一推测，研究者选取了一批小鼠，将它们分为了对照静息组以及运动组，运动组的小鼠生活环境中拥有滚轮装置，但运动为自愿式，研究者不会强迫小鼠参与运动。根据观察，在适应了几天之后，运动组小鼠都有较高的活动水平，尤其是在夜间活跃时期。一段时间后，研究者分析了小鼠四肢肌肉中的基因表达，他们发现经常参与运动的小鼠，与肌肉生长相关的一些基因表达量有着显著上升，除了开始提到的双调蛋白，作者确认白介素6（IL-6）也会有所提升。▲运动可以激活肌肉组织中Treg活性（图片来源：参考资料[1]）IL-6作为一种免疫相关因子，通常在肥胖等代谢疾病下会促进炎症的发生，然而如果是运动条件下，肌肉组织中释放的IL-6却起着完全相反的作用，它们不会激活炎症相关通路，反而与细胞抗炎因子合作，降低了微环境中的炎症水平。如果破坏了小鼠IL-6受体，它们在运动后，肌肉就无法获得修复和再生的益处。除了肌肉本身的变化，在相同饲养条件下，参与滚轮运动的小鼠也拥有更健康的体重，内脏脂肪量呈现出不断减少的趋势。图片来源：123RF根据研究者的长期观察，小鼠在坚持跑步运动4周后，即使连续休息2周也基本能保持已获得的正面影响，直到休息4周之后才会回到运动前的基准水平。他们认为这是一种肌肉免疫记忆的表现，只要坚持运动，即使偶尔想休息一阵也能保留益处。相关阅读：运动真的防痴呆！研究发现练的是肌肉，受益的是大脑研究者指出，一些抗炎疗法会针对IL-6受体发挥作用，但使用者可能会产生肌无力的副作用，而根据新研究的发现，这一切就能解释得通了。他们认为未来可以针对Treg研发更多靶向的肥胖、肌肉受损疗法，也可以帮助平衡免疫与代谢之间的关系。参考资料：[1] Maike Becker et al, Regulatory T cells require IL6 receptor alpha signaling to control skeletal muscle function and regeneration, Cell Metabolism (2023). DOI: 10.1016/j.cmet.2023.08.010[2] Exercise and muscle regulation: Implications for diabetes and obesity. Retrieved September 26, 2023 from https://medicalxpress.com/news/2023-09-muscle-implications-diabetes-obesity.html本文来自药明康德内容微信团队，欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求，请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求，请联系wuxi_media@wuxiapptec.com。免责声明：药明康德内容团队专注介绍全球生物医药健康研究进展。本文仅作信息交流之目的，文中观点不代表药明康德立场，亦不代表药明康德支持或反对文中观点。本文也不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。更多推荐点个“在看”再走吧~