定向納米纖維誘導神經細胞生長機理的系統生物學研究

《定向納米纖維誘導神經細胞生長機理的系統生物學研究》是依託東南大學，由呂曉迎擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：定向納米纖維誘導神經細胞生長機理的系統生物學研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：呂曉迎
• 依託單位：東南大學

中文摘要

本課題的目的是採用系統生物學方法，從基因轉錄、miRNA調節、蛋白質表達、代謝物變化等層次，全面系統地研究定向聚乳酸納米纖維誘導神經細胞生長的機理。首先採用靜電紡絲法製備納米纖維；再採用MTT、RT-CES、流式細胞儀與雷射共聚焦顯微鏡等分析納米纖維粗細、密度、方向性等對纖維上神經細胞活力、突觸、粘著斑等的影響，篩選出最佳直徑和密度的定向/不定向納米纖維；接著運用基因晶片、蛋白質組學、miRNA測序、代謝組學等組學技術和生物信息學方法研究定向/不定向納米纖維與神經細胞不同作用時間的影響；然後在系統生物學整體層面整合各組學的實驗數據，找出定向納米纖維誘導神經細胞生長的信號通路，篩選出相關關鍵基因、蛋白質、miRNA和代謝物，並進行系列驗證實驗；最后綜合所有實驗結果，得出從基因、miRNA、蛋白質到代謝物的自上而下的完整生物學途徑，在分子水平上系統全面地解釋定向納米纖維誘導神經細胞生長機理。

結題摘要

定向納米纖維能模仿細胞外基質和提供適合的接觸引導來幫助神經細胞分化及突觸生長，但目前其誘導神經細胞分化的內在機制尚未闡明。本項目的目的是採用系統生物學方法全面系統地研究PLLA定向納米纖維誘導PC12細胞分化的機理。首先製備PLLA薄膜、不定向/定向納米纖維並進行理化性能表征；其次在細胞水平上分析PLLA基底對PC12細胞活力、細胞骨架、葡萄糖、乳酸代謝、細胞形態和神經突觸長度的影響；接著分析納米纖維對神經元分化標誌基因GAP43表達的影響；然後運用基因表達譜晶片、蛋白質組學、microRNA測序、代謝組學技術和生物信息學方法研究PLLA不定向/定向納米纖維對PC12細胞的影響，並進行系列驗證實驗；隨後整合系統生物學各組學實驗數據，篩選PLLA定向納米纖維誘導PC12細胞分化中的關鍵基因、蛋白質、microRNA、代謝物及共同參加的關鍵信號通路，系統全面解釋定向納米纖維誘導PC12細胞分化的分子機理；最後還聯合採用多種組學技術分析整聯蛋白在介導PLLA定向納米纖維影響PC12細胞分化中的作用。本研究發現，相對於PLLA不定向納米纖維，定向納米纖維更能提高PC12細胞活力和葡萄糖、乳酸代謝水平，顯著上調GAP43基因表達水平，促進突觸生長並引導突觸沿定向納米纖維的取向伸展。PLLA定向納米纖維可能通過吸附蛋白質與PC12細胞整聯蛋白發生作用，觸發FAK-MEK-ERK信號通路，誘導一系列分化相關基因、蛋白質、microRNA、代謝物發生差異表達，並通過關鍵的粘著斑通路、MAPK信號通路、肌動蛋白細胞骨架調節通路、整聯蛋白介導的細胞粘附通路、酪氨酸通路、鞘脂類代謝和甘油磷脂代謝通路，促進PC12細胞的分化。而整聯蛋白受到GRGDS五肽競爭性干擾後，可影響PC12細胞胺基酸代謝、生物合成、細胞骨架等多個方面的功能，最終抑制PLLA定向納米纖維上PC12細胞的分化。本研究組不但成功地運用系統生物學中的全部生物組學技術，並創新性地探索出各組學大數據的綜合分析方法，首次系統地從“基因-microRNA-蛋白質-代謝產物”多層次分子水平上闡明了PLLA定向納米纖維影響PC12細胞分化的分子機制。該技術路線不但為“生物材料與機體相互作用機理研究”開創了道路，並為探索以機制、定量研究為主的“信息生物學”模式和“系統生物學”聯合分析模式打下了基礎。