神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)受到機(jī)械力的作用，這些力引導(dǎo)其發(fā)展、形成其形狀并作為感知身體內(nèi)部生理或外部世界的線索。在發(fā)育過程中，通過拉伸應(yīng)變的應(yīng)用，它們的神經(jīng)突在生長期間繼續(xù)伸長。
成熟的中樞神經(jīng)系統(tǒng) (CNS) 被封閉在堅(jiān)硬的骨骼結(jié)構(gòu)中，無論是頭骨還是脊柱，都為其提供保護(hù)作用。相比之下，成熟的外周神經(jīng)系統(tǒng) (PNS) 沒有被骨骼包裹，而是與內(nèi)部器官和組織混合在一起，因此更容易受到機(jī)械信號(hào)的影響。
除了兩種神經(jīng)系統(tǒng)之間的形態(tài)差異外，哺乳動(dòng)物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的再生能力有限，在嚴(yán)重?fù)p傷后會(huì)導(dǎo)致功能喪失。同時(shí)，PNS在損傷后仍保留其再生功能連接的能力。
有趣的是，有體外研究表明，當(dāng)受到牽張力的作用時(shí)，培養(yǎng)的神經(jīng)元會(huì)實(shí)現(xiàn)長距離伸長。因此，考慮到生長中的神經(jīng)元對(duì)機(jī)械拉伸的初始反應(yīng)和成年中樞神經(jīng)系統(tǒng)再生能力的缺失，研究人員考慮機(jī)械線索的缺乏在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷無法再生后是否還會(huì)發(fā)揮作用。
因此，德國海德堡大學(xué)醫(yī)院脊髓損傷中心實(shí)驗(yàn)室、德國圖賓根大學(xué)神經(jīng)再生與修復(fù)實(shí)驗(yàn)室的專家學(xué)者進(jìn)行了深入研究。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的外植體神經(jīng)-背根神經(jīng)節(jié)（DRG）模型。通過這個(gè)模型，研究PNS的機(jī)械靈活性是否有助于其再生潛能，以及如果將其應(yīng)用于CNS定位神經(jīng)，是否能在伸展后增強(qiáng)成人感覺神經(jīng)元的生長。此外，通過使用定制的生物反應(yīng)器，比較了周圍神經(jīng)和中樞神經(jīng)對(duì)牽張拉力的反應(yīng)差異。
對(duì)于 DRG 神經(jīng)外植體的機(jī)械拉伸，研究人員在內(nèi)部建造了一個(gè)生物反應(yīng)器。
圖1 內(nèi)部構(gòu)建的神經(jīng)外植體機(jī)械拉伸裝置
（A）控制器連接到 GalilTools 軟件和振蕩器（D、E）。（B）培養(yǎng)箱保持恒定的培養(yǎng)條件。（C）氣體混合器分析培養(yǎng)箱的空氣成分，5% 的CO2。（D）生物反應(yīng)器（F）安裝在振蕩器（E）上。（E）振蕩器連接到控制器（A）和孵化器內(nèi)的生物反應(yīng)器 ( F )。（F）生物反應(yīng)器。兩塊金屬板（a和b ) 建立在金屬導(dǎo)軌上，聚醚醚酮 (PEEK) 棒通過螺釘固定在它們上，并保存在裝有培養(yǎng)基的金屬船中。金屬板 b 連接到振蕩器，來回移動(dòng)，而另一個(gè)板固定在舞臺(tái)和金屬導(dǎo)軌上。為了研究機(jī)械應(yīng)變是否可以增強(qiáng)體外軸突生長，將坐骨神經(jīng)-L4/L5 DRG 或中樞神經(jīng)-L4/L5 DRG 外植體進(jìn)行3小時(shí)的機(jī)械負(fù)荷，幅度為 10%（圖2），頻率為0.5 Hz 。令人驚訝的是，發(fā)現(xiàn)機(jī)械刺激連接到各自DRG的中樞神經(jīng)可以增強(qiáng)DRG的神經(jīng)突生長。盡管被視為一種趨勢，但對(duì)坐骨神經(jīng)應(yīng)用牽張力并未顯著增強(qiáng)整個(gè)神經(jīng)突的生長。應(yīng)該提到的是，無論是否接受拉伸，DRG -坐骨神經(jīng)外植體的培養(yǎng)中存活的神經(jīng)元比 DRG-中樞神經(jīng)外植體多，這可能是由于對(duì)周圍神經(jīng)-DRG 外植體進(jìn)行了優(yōu)化。
重要的是，發(fā)現(xiàn)20% 的機(jī)械拉伸對(duì)DRG-神經(jīng)外植體并沒有像10%的機(jī)械拉伸對(duì)PNS或CNS拉伸的DRG那樣產(chǎn)生有益的再生效果。值得注意的是，20% 的 PNS-DRG 外植體在統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著減少了大直徑神經(jīng)元的軸突生長。
此外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與 20% 的拉伸不同，10% 的拉伸不會(huì)顯著改變受限神經(jīng)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。
由于極度拉伸神經(jīng)會(huì)引起疼痛，因此檢查了更高幅度的拉伸 (20%) 是否會(huì)誘導(dǎo)傷害性神經(jīng)元的生長。圖5C 顯示沒有觀察到變化。因此可以消除響應(yīng)機(jī)械刺激的傷害性神經(jīng)元，并得出結(jié)論，10% 0.5 Hz 機(jī)械拉伸方法會(huì)影響更大直徑的神經(jīng)元，包括本體感受和機(jī)械敏感神經(jīng)元。
這項(xiàng)工作是為了專門解決如果將循環(huán)拉伸直接應(yīng)用于神經(jīng)，特別是在缺乏這種輸入的神經(jīng)中，是否會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)突生長增強(qiáng)。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明它確實(shí)存在并且在特定的細(xì)胞亞群（機(jī)械感受器和本體感受器）中具有 10% 的 0.5 Hz 的拉伸，但沒有更大的振幅或更低的頻率。盡管確定了軸突循環(huán)拉伸生長 (ATF3) 的潛在機(jī)制，但未來更好地理解軸突伸展生長途徑可能會(huì)為神經(jīng)再生科學(xué)的干預(yù)開辟新的途徑。
參考文獻(xiàn)：Kampanis V, Tolou-Dabbaghian B, Zhou L, Roth W, Puttagunta R. Cyclic Stretch of Either PNS or CNS Located Nerves Can Stimulate Neurite Outgrowth. Cells. 2020 Dec 28;10(1):32. doi: 10.3390/cells10010032. PMID: 33379276; PMCID: PMC7824691.小編旨在分享、學(xué)習(xí)、交流生物科學(xué)等領(lǐng)域的研究進(jìn)展。如有侵權(quán)或引文不當(dāng)請聯(lián)系小編修正。
手機(jī)版
化工儀器網(wǎng)手機(jī)版
化工儀器網(wǎng)小程序
官方微信
公眾號(hào)：chem17
掃碼關(guān)注視頻號(hào)
采購中心