在三维脑状微环境中的神经预测

人类的大脑是由高度复杂和扩张的细胞和神经元网络组成的，但现有的科学认识是有限的。神经工程学是一个不断发展的领域，它使用先进的技术来操纵神经元。本学科可以开发中枢和外周神经系统的疾病模型，以掌握神经疾病，并生产下一代神经生物材料组织工程。有能力直接重新编程并将成熟细胞如成纤维细胞（体细胞）转化为神经元，也提出了有希望的治疗潜力。神经衰老技术旨在设计和创造广泛的应用程序来调节神经元。

神经科学家最近表明，从人脑组织脱细胞的脑细胞外基质(BEM)可以简化在实验室中将小鼠胚胎成纤维细胞直接转化为诱导的神经元(iN)细胞。在BEM基质上生成的iN细胞被移植到缺血性脑卒中动物模型的大脑中，导致运动行为的显著改善。研究还表明，3d BEM水凝胶与微流体相结合，可以更有效地重建类脑微环境，促进直接重编程和神经元转化，促进细胞移植后动物功能恢复。这项研究发表在自然生物医学工程。

在神经元重编程过程中，这个设计好的3d系统被认为可以刺激神经元是相关的蛋白质（yap）和机械敏感信令的组蛋白修改。3-D BEM水凝胶还可以提供微环境存储器以保留在转化过程中获得的诱导的神经元（In）细胞的功能表型。在研究中，Seung-Woo Cho和同官员首先从供体 - 人脑组织中提取脑细胞外基质（ECM），以产生血液特异性天然成分的溶解混合物。然后使用该溶液在实验室中经历直接神经元编程的培养成纤维细胞的培养成纤维细胞进行制育和测试2-D表面涂层或3-D系统。

在组织特异性转录因子的存在下，成熟体细胞直接转化为不同类型的细胞，如本例中所见的成纤维细胞转化为神经元，被称为跨分化。与典型的病毒递送系统相反，使用质粒作为选择的生物医学递送载体转染神经元组织特异性元素，包括BAM因子，通过电穿孔进入诱导神经元转染细胞的成纤维细胞。该研究表明，BEM显着加速直接神经元重编程，因为在细胞分化的实验室条件下，诱导神经元显示电生理功能和成熟神经元标记表达。与常规生物材料（如层粘连蛋白和纤维凝集素）相比，免疫细胞化学和遗传分析显示出与BEM的改善和分化，通常用于制造2-D细胞外基质（ECM）涂层。

在完成广泛的基因表达谱和电生理学试验后，在实验室中的细胞中表征，科学家将基于BEM的细胞移植到表现出缺氧脑卒中的成年小鼠模型，表现出缺氧脑损伤以观察其治疗潜力。除神经发生外，细胞移植中的旁静脉作用还恢复了小鼠的运动协调和运动运动，证明了治疗效果。

有趣的是，与2-D BEM相比，在3-D BEM水凝胶上培养的细胞培养的细胞显示出较高的神经元标记物，表明仿生脑状微环境可以提供最佳的生物化学和生物物理提示来引导细胞重编程。然后，研究人员巧妙地将3-D BEM水凝胶与微流体系统（3-DμBEM）合并，以扩增狭窄的微环境中细胞中的自分泌和旁碱基信号，并促进神经元转化化。

当在脑状3-DμBEM环境中重新编程的细胞中，收集并在脑内进行移植缺血性中风观察小鼠模型、功能恢复及治疗效果。为了阐明其潜在的分子机制，科学家们提出，在三维类脑微环境中的生物物理线索可能特异性诱导YAP (yes相关蛋白)定位到细胞质，以促进神经元转分化。相反，僵硬的二维环境诱导了核YAP的定位，抑制了神经发生相关基因的表达。

该研究揭示了直接神经发生的分子机制，以及设计的策略，并开发优化的生物材料，以改善神经重编程，在实验室中可再现。脑状3-D仿生微环境可以提供生化，生物物理，机械和表观遗传刺激，以有效重新编程神经元。研究的主要见解可以在未来翻译，设计和工程师的合成脑状矩阵，以产生安全细胞用于神经预测的再生和医学应用。

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