《Nature Methods》：一种基于水凝胶的可调微柱阵列系统
编辑：zcniszc 时间：2026年04月01日 访问次数:29
伦敦大学Emad Moeendarbary、William D. Richardson联合英国诺丁汉大学Graham K. Sheridan等人研究团队开发了一种基于水凝胶的可调谐微柱阵列系统，该系统以聚丙烯酰胺水凝胶为基础，通过光刻技术制备可模拟轴突三维结构和软硬度的垂直独立微柱，能独立调控微柱的刚度、直径、间距和表面化学特性，且适配啮齿动物和人类少突胶质细胞的长期培养。团队通过共聚焦显微镜、透射电镜等技术验证了该平台支持少突胶质细胞形成多层致密髓鞘，发现免疫染色的髓鞘厚度与髓鞘包裹层数呈强线性相关，可实现髓鞘形成的高含量定量；通过转录组分析揭示了微柱拓扑结构能促进少突胶质细胞分化成熟，系统探究了微柱几何特征、刚度、表面涂层对少突胶质细胞分化和髓鞘包裹的调控作用，发现药物对髓鞘形成的作用具有刚度依赖性，过度刚性的体外模型易产生假阳性药物结果；同时验证了该平台兼容人类胎儿神经前体细胞和人多能干细胞来源的少突胶质细胞，其中人多能干细胞来源的少突胶质细胞可形成多层致密髓鞘，最终证明该平台为解析少突胶质细胞生物学特性、发现多发性硬化等脱髓鞘疾病的髓鞘再生疗法，提供了生理相关、高通量的研究工具。相关内容以“Tunable hydrogel-based micropillar arrays for myelination studies”为题发表在《Nature Methods》。图中展示了髓鞘研究用水凝胶微柱阵列的制备流程与核心特性，通过光刻技术将微图案转移至硅片并刻蚀制成母模，经聚丙烯酰胺溶液聚合、脱模得到微柱阵列，PBS中微柱直径较母模增加26%±4%，并通过定制PDMS孔实现细胞低量培养；通过调整单体和交联剂浓度，制备出超软（0.52±0.02kPa）、软（5.1±0.1kPa）、中等（20.2±1.9kPa）、硬（54.9±2.8kPa）四种刚度的微柱，覆盖脑实质、天然轴突的生理刚度及超生理刚度范围，满足不同机械微环境的研究需求。
图2：实验流程与多层髓鞘形成的验证图中呈现了少突胶质细胞在水凝胶微柱上的培养流程及髓鞘形成的验证结果，将大鼠少突胶质细胞系细胞培养14天并分为增殖、分化、髓鞘形成三个阶段，通过共聚焦显微镜z-stack成像和三维重建实现髓鞘包裹的定量分析，建立了0-3分的包裹评分体系和全包裹微柱/细胞定量指标；利用扫描电镜和透射电镜观察到少突胶质细胞对微柱的包裹结构，证实超50%的微柱形成多层髓鞘，平均髓鞘厚度46±3nm、平均包裹层数3.6±0.2，且髓鞘厚度与包裹层数呈强线性相关（平均R²=0.94），验证了该平台支持生理相关的多层致密髓鞘形成。
研究人员进一步探究了微柱几何特征对少突胶质细胞行为的影响，转录组分析显示微柱上的少突胶质细胞与平面水凝胶相比有800多个差异表达基因，上调基因富集于细胞外基质重塑、神经发生等通路，下调基因富集于细胞分裂、细胞骨架动态等通路，且微柱上的细胞转录谱与人类成熟少突胶质细胞更匹配；微柱区域的细胞密度显著高于平面区域，且3、5、10μm直径微柱的全包裹比例随间距增加而上升，10μm直径微柱的全包裹比例显著高于更细的微柱，微柱的g-比值（0.67-0.88）与中枢神经系统生理范围一致且随直径增大而升高，揭示了轴突直径和间距对髓鞘包裹效率的调控作用。图4：生化和生物力学线索对少突胶质细胞分化及髓鞘形成的影响图中分析了生物力学和生化线索对少突胶质细胞分化及髓鞘形成的调控作用，刚度方面，超软微柱显著降低髓鞘形成效率，10μm直径微柱的髓鞘形成随刚度增加而增强，5μm直径微柱在软、硬刚度下无显著差异；表面涂层方面，层粘连蛋白可提高全包裹微柱比例，纤连蛋白可增加单个细胞的全包裹微柱数量，二者均优于聚-D-赖氨酸涂层；联合调控显示，硬凝胶可独立于表面涂层提升髓鞘形成效率，层粘连蛋白可提高全包裹微柱比例，证明刚度和表面化学特性可协同调控少突胶质细胞的髓鞘形成过程。进一步验证了微柱阵列平台在药物筛选中的应用价值及药物作用的刚度依赖性，在软（5kPa）和中等（20kPa）刚度微柱上，苯扎托品和氯马斯汀均能促进少突胶质细胞髓鞘形成，但在更贴合体内轴突刚度的软微柱上，药物的促髓鞘效果有所减弱；在软微柱上，GSK239512和辛伐他汀可显著促进髓鞘形成，而威司他汀则呈剂量依赖性降低全包裹微柱数量，证明该平台能灵敏检测药物对髓鞘形成的调控作用，且可规避过度刚性模型导致的药物假阳性结果。
图中证实了平台对人类少突胶质细胞的兼容性，人类胎儿神经前体细胞来源的少突胶质细胞在微柱上培养9天可形成髓鞘包裹，约52.5%的微柱被全包裹，单个细胞平均全包裹2.34个微柱，但仅观察到非致密髓鞘；人多能干细胞来源的少突胶质细胞培养9天时有71.4%的微柱被全包裹，扫描电镜观察到细胞延伸大量长突起，培养14天的透射电镜证实其可形成多层致密髓鞘，为人类髓鞘形成机制研究和临床转化药物筛选提供了体外模型。本研究针对现有中枢神经系统髓鞘形成体外模型的局限性，开发了一款基于聚丙烯酰胺水凝胶的可调谐微柱阵列平台，该平台兼具制备简便、成像便捷、可规模化的特点，能在生理相关范围内独立调控微柱的刚度、直径、间距和表面涂层，精准模拟轴突的三维结构和生物力学特性，支持啮齿动物和人类少突胶质细胞的长期培养及多层致密髓鞘形成，且可通过免疫染色实现髓鞘形成的高含量定量，通过电镜验证髓鞘的超微结构。研究明确了轴突的几何特征、机械刚度、表面化学特性对少突胶质细胞分化和髓鞘包裹的关键调控作用，发现药物对髓鞘形成的调控具有刚度依赖性，过度刚性的体外模型易产生药物假阳性结果，同时证实该平台兼容人类胎儿和多能干细胞来源的少突胶质细胞，其中人多能干细胞来源的细胞可形成生理相关的多层致密髓鞘。该平台不仅为解析少突胶质细胞的机械生物学特性、探究中枢神经系统髓鞘形成的分子机制提供了生理相关的研究工具，还为脱髓鞘疾病的髓鞘再生疗法开发提供了高通量、高预测性的药物筛选平台，其与患者诱导多能干细胞的结合潜力，还将为脱髓鞘疾病的个体化建模和精准药物筛选奠定基础，推动脱髓鞘疾病研究的机制解析和临床转化。
来源：纳米人
