基于蝴蝶翅膀建立可以诱导神经元定向再生的导电拓扑基底

发布者:许峰发布时间:2021-08-20浏览次数:13


内耳螺旋神经元 (Spiral ganglion neurons, SGNs)的损伤或退化会导致严重的听力损失,SGNs定向再生在提高听觉治疗效果方面显示出巨大潜力。近年来一些生物材料已被广泛应用于神经组织再生领域,其中超顺排碳纳米管(SA-CNTs)因其优异的导电性和机械性能被广泛关注,但由于缺乏3D拓扑结构,SA-CNTs 难以模拟神经组织中的细胞外基质。大蓝闪蝶鳞翅作为一种天然 3D 支架,表面具有高度各向异性的拓扑结构,已被证明适用于光子器件、分子传感器和自清洁表面。但具有导电特性的闪蝶鳞翅在神经组织工程领域尚未见报道。

2021819日,东南大学生命科学与技术学院柴人杰团队和南京鼓楼医院赵远锦团队、钱晓云团队合作在Small杂志在线发表了题为Topographically Conductive Butterfly Wing Substrates for Directed Spiral Ganglion Neuron Growth的研究论文并入选当期封面文章(back cover)。该研究构建了一种具有表面拓扑结构的新型3D导电微结构,能够诱导SGNs定向生长并促进神经元功能成熟。

本研究中,受具有天然微槽表面结构的大蓝闪蝶翅膀的启发,魏浩等研究人员通过在闪蝶鳞翅上集成 SA-CNT GelMA 水凝胶,构建了一种具有表面拓扑结构的新型3D导电微结构。结果表明,该复合材料不仅保留蝴蝶翅膀表面精致的3D拓扑结构,还继承了 SA-CNTs 优异的导电性能。同时GelMA水凝胶进一步限制了 SA-CNTs 的非均匀分布和团聚,并提高了复合材料的生物相容性。

研究团队以构建的拓扑导电鳞翅作为衬底,进行SGNs体外培养。结果显示复合材料衬底上培养的神经元上表现出惊人的与鳞翅表面的凹槽结构相平行的定向生长行为,并显著促进神经元轴突长度生长。扫面电镜及生长锥染色进一步观察到SGNs与衬底的相互作用,丝状伪足对衬底表面形貌具有一定的机械响应作用。此外复合材料良好的导电性可以明显促进突触的发育和成熟。

综上所述,该研究提出了一种SA-CNTs和大蓝闪蝶鳞翅相整合的复合导电拓扑衬底。该拓扑导电衬底能够显著诱导 SGN定向生长,同时在促进 SGN 的粘附、长度和突触发育方面表现出巨大潜力。这些特征表明,基于大蓝闪蝶鳞翅的导电基底可能有助于构建用于修复和/或替换神经缺陷的仿生神经移植物。

东南大学柴人杰教授、南京鼓楼医院赵远锦教授及钱晓云教授为该论文共同通讯作者,钱晓云教授博士生魏浩、赵远锦教授博士生陈卓玥、柴人杰教授博士生胡扬楠、安徽医科大学第二附属医院曹卫为论文共同第一作者。该课题得到了中国科学院“器官重建与制造”A类战略性先导科技专项、国家重点研发计划干细胞及转化研究重点专项、国家自然科学基金面上项目等的资助。