date:2023-04-14 12:37:19
神經(jīng)系統(tǒng)疾病是世界范圍內(nèi)的一個重大健康負擔(dān)，近六分之一的人患有神經(jīng)系統(tǒng)疾病。
這些疾病會影響整個神經(jīng)系統(tǒng)，包括大腦、脊髓和周圍神經(jīng)系統(tǒng) (PNS)，通常會導(dǎo)致殘疾或死亡。神經(jīng)系統(tǒng)疾病可能由許多不同的因素引起，例如環(huán)境/營養(yǎng)影響、基因突變或外傷。示例是神經(jīng)退行性疾病，如不同形式的癡呆（例如，阿爾茨海默氏癥）、帕金森氏病和肌萎縮側(cè)索硬化癥 (ALS)，還有中風(fēng)、腦癌、傳染病（例如，腦膜炎）和損傷。
神經(jīng)科學(xué)研究的重點是研究中樞神經(jīng)系統(tǒng) (CNS) 和周圍神經(jīng)系統(tǒng) (PNS) 的功能和組織，以了解神經(jīng)過程并開發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)疾病和病癥的生物標(biāo)志物和療法。
基于細胞的模型和檢測在分子和細胞神經(jīng)生物學(xué)中起著重要作用，因為它們允許研究受控條件下的神經(jīng)細胞類型及其對各種刺激的反應(yīng)。體外試驗也可用于研究與疾病相關(guān)的神經(jīng)功能變化的影響，以測試潛在的治療方法。
在 ibidi 細胞培養(yǎng)室上生長的小鼠海馬神經(jīng)元的共聚焦圖像。對神經(jīng)元進行 bIII-微管蛋白（綠色）、肌動蛋白纖維（紅色）和細胞核（藍色）的免疫染色。圖片提供：意大利比薩高等師范學(xué)院 CNR 和 NEST 納米科學(xué)研究所的 Ilaria Tonazzini
在本篇文章中，我們將介紹 5 種基于細胞的體外試驗方法來研究神經(jīng)系統(tǒng)狀況和疾病，并為每種檢測方法提供了應(yīng)用示例。
01、熒光顯微鏡檢測
免疫熒光和熒光原位雜交 (FISH) 等熒光顯微鏡檢測用于使用熒光標(biāo)簽或探針可視化細胞或組織內(nèi)的特定分子或結(jié)構(gòu)。
在細胞和分子神經(jīng)生物學(xué)中，免疫熒光檢測（例如，免疫細胞化學(xué)、免疫組織化學(xué)和原位雜交）可用于獲得對大腦和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)空間組織的重要見解。此外，標(biāo)記蛋白質(zhì)、DNA 和 RNA 可以可視化它們在這些網(wǎng)絡(luò)中的功能角色，并可以揭示過程是否中斷。免疫熒光是一種多功能、直接的方法，可以可視化細胞結(jié)構(gòu)和成分的位置和相互作用。幾乎每個細胞生物學(xué)實驗室都可以輕松建立說明和工作流程。
多重?zé)晒猓ㄍ瑫r對多種蛋白質(zhì)進行染色）甚至可以同時顯示不同的分子，這對于破譯蛋白質(zhì)的相互作用非常有用，例如，在神經(jīng)信號過程中。
應(yīng)用示例 1
免疫組織化學(xué)和熒光原位雜交 (FISH) 鑒定導(dǎo)致家族性 ALS 的突變
ALS 是一種慢性致命性神經(jīng)退行性疾病，會導(dǎo)致運動神經(jīng)元逐漸喪失。ALS 導(dǎo)致肌肉退化和虛弱加劇，最終導(dǎo)致喪失移動、說話、進食和呼吸的能力。
大多數(shù) ALS 病例沒有已知原因（散發(fā)性 ALS），而 5% 到 10% 的病例是遺傳性的，可能與特定基因有關(guān)。在家族性 ALS 患者中發(fā)現(xiàn)了 FUS 基因的幾種突變。
Gadgil et al.使用熒光原位雜交 (FISH) 和免疫熒光來鑒定 ALS 相關(guān)的 FUS 突變 (FUS P525L)，該突變會破壞 U7 小核糖核蛋白 (U7 snRNP) 的定位。此外，他們還可以證明該突變體與 U7 snRNA 錯誤共定位到細胞質(zhì)中并影響復(fù)制依賴性組蛋白基因（Gadgil 等人，2021 年）。
圖 1 SHSY5Y FUS 敲除細胞轉(zhuǎn)染含有 FUS 基因的質(zhì)粒，F(xiàn)US 基因帶有 ALS 相關(guān)的 FUS P525L 突變。轉(zhuǎn)染后 48 小時，對細胞進行 U7 snRNA 和 FUS 共染色。綠色：U7 snRNA 的 FISH 染色。紅色：FUS P525L。藍色：藍色的細胞核 (DAPI)。在ibidi蓋玻片底部培養(yǎng)室對細胞進行染色和成像。由波蘭波茲南 Uniwersytetu Poznańskiego 先進技術(shù)中心 RNA 加工實驗室的 Ankur Gadgil 友情提供。
02、活細胞成像
活細胞成像是一種強大的工具，可以實時可視化生理條件下的細胞過程。
阿爾茨海默氏癥或多發(fā)性硬化癥 (MS) 等神經(jīng)退行性疾病的特征是大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的動態(tài)細胞過程發(fā)生變化。這些改變的過程會導(dǎo)致大腦中蛋白質(zhì)運輸和分類功能失調(diào)以及蛋白質(zhì)聚集。神經(jīng)遷移、趨化性和血管生成也是在神經(jīng)健康和疾病中發(fā)揮重要作用的動態(tài)過程的示例（應(yīng)用示例 2–5）。
活細胞成像允許在生理條件下實時跟蹤這些動態(tài)過程 ( 見下方視頻Mov. 1 )。
03、遷移和趨化性測定
細胞遷移和趨化性是神經(jīng)系統(tǒng)的基本過程，在各種神經(jīng)疾病的病理生理學(xué)中起著重要作用。例如，它們參與神經(jīng)發(fā)育、受傷后的神經(jīng)炎癥以及腦癌的進展過程。
通過在活細胞成像期間跟蹤單個細胞（應(yīng)用示例 2）或通過將無細胞間隙引入細胞群并觀察細胞覆蓋區(qū)域的變化，可以在單細胞水平上研究細胞遷移動力學(xué)隨著時間的推移，間隙閉合（應(yīng)用示例 3，工作流程圖 2）。
趨化性是細胞響應(yīng)化學(xué)信號的定向運動。體外趨化性測定允許對細胞向特定分子的遷移進行定性和定量分析（應(yīng)用示例 4，工作流程圖 3）。
應(yīng)用示例 2
遷移原代雪旺細胞的活細胞成像
雪旺細胞是 PNS 的神經(jīng)膠質(zhì)細胞。它們支持和保護神經(jīng)元，在傳遞神經(jīng)沖動以及神經(jīng)發(fā)育和再生方面發(fā)揮著重要作用。因此，他們對再生醫(yī)學(xué)非常感興趣，以開發(fā)在神經(jīng)損傷情況下增強雪旺細胞遷移潛能的療法。Millesi et al.使用活細胞成像 (Mov. 1) 研究了初級雪旺細胞遷移。他們還探索了膠原蛋白纖維的再生作用，作為長距離周圍神經(jīng)缺陷的治療選擇（Millesi et al，2021 年）。
Mov. 1，雪旺細胞的活細胞成像，軌跡線跟隨其遷移模式。細胞在μ-Slide 4 Well上培養(yǎng)，并使用 ibidi Stage Top 孵育系統(tǒng)成像。使用 Image J Manual Tracking plugin和Chemotaxis and Migration Tool進行細胞追蹤和分析。友情提供：奧地利維也納醫(yī)科大學(xué)整形、重建和美容外科系的 F. Millesi。
應(yīng)用實例 3
生長分化因子 11 (GDF11) 處理對軸突再生和細胞遷移的影響
創(chuàng)傷性脊髓損傷 (SCI) 可能是事故或疾病的結(jié)果。造成的傷害是不可逆轉(zhuǎn)的，通常會導(dǎo)致運動功能喪失和癱瘓。
治療干預(yù)的重點是抑制脊髓急性損傷后的神經(jīng)退行性過程。Tsai et al.研究了 GDF11 是否影響脊髓損傷后的神經(jīng)生成。他們在存在和不存在 GDF11 的情況下對脊髓神經(jīng)膠質(zhì)細胞培養(yǎng)物進行了傷口愈合實驗（工作流程見圖 2）。2 天后，他們觀察到在 GDF11 存在的情況下細胞遷移和神經(jīng)突延伸顯著增強（Tsai et al，2022 年）。
工作流程圖 2 使用Culture-Insert 2 Well進行傷口愈合實驗
應(yīng)用示例 4
神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞對趨化因子 CC 配體 5 的趨化性測定
膠質(zhì)母細胞瘤是一種生長迅速、侵襲性強的惡性腦腫瘤，預(yù)后較差（中位生存期為 1.5 年）。有多種治療方法（手術(shù)、放療、化療），但由于殘留的膠質(zhì)母細胞瘤干細胞具有耐藥性，腫瘤復(fù)發(fā)很常見。腫瘤微環(huán)境在其發(fā)展和進展中起著至關(guān)重要的作用。膠質(zhì)瘤相關(guān)巨噬細胞 (GAM) 是浸潤在腫瘤微環(huán)境中的免疫細胞，與促進腫瘤生長、血管生成和侵襲有關(guān)。GAM 已被證明是 CC 基序趨化因子配體 5 (CCL5) 的來源，CCL5 是一種豐富的趨化因子，在細胞免疫反應(yīng)中發(fā)揮促炎作用。它在 GAM 中的表達通過觸發(fā)細胞內(nèi)鈣信號傳導(dǎo)和誘導(dǎo)基質(zhì)金屬蛋白酶 (MMP) 進一步促進腫瘤進展。
Yu-Ju Wu et al.建立 3D 趨化性測定（工作流程圖 3）以研究存在和不存在粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子 (GM-CSF) 的情況下膠質(zhì)瘤細胞的趨化性侵襲，GM-CSF 存在于體內(nèi)膠質(zhì)瘤微環(huán)境中( Yu -Ju Wu et al.，2020）。
工作流程圖 3 使用μ-Slide 細胞趨化載玻片進行趨化性實驗
04、管形成分析
血管發(fā)育（血管生成）是神經(jīng)健康和疾病的關(guān)鍵過程。血管生成需要一系列由缺氧引發(fā)的細胞事件。
管形成試驗（工作流程圖 4）是一種廣泛建立的體外方法，用于研究血管生成和尋找促進或抑制血管生成的化合物。在神經(jīng)退行性研究中，管形成分析可用于開發(fā)促進急性腦損傷后血管再生的療法（應(yīng)用示例 5），或表征抑制為腦腫瘤提供營養(yǎng)的血管形成的分子。
應(yīng)用示例 5
Tube Formation Assay 研究腦外傷后血管再生
創(chuàng)傷性腦損傷 (TBI) 可以通過多種方式影響腦血管，導(dǎo)致血腦屏障 (BBB) 破壞、顱內(nèi)壓升高、腦血管痙攣和出血。這些影響會導(dǎo)致 TBI 后腦損傷和神經(jīng)功能缺損的嚴(yán)重程度。FGF20是成纖維細胞生長因子家族的一員，已被證明具有神經(jīng)保護作用，因此與帕金森病的治療有關(guān)。
Guo et al.有興趣了解FGF20是否對 TBI 后的腦血管系統(tǒng)也有保護作用。因此，他們使用管形成試驗（工作流程圖 4）來研究 FGF20 是否可以在體外促進永生化人腦微血管內(nèi)皮細胞 (hCMEC/D3) 中的血管生成（Guo et al，2021 年）。
工作流程圖 4 使用μ-Slide 15 Well 3D進行血管生成實驗
05、流動條件下的細胞培養(yǎng)
流動條件下的細胞培養(yǎng)是一種體外方法，用于模擬血管/淋巴管的生理條件，并研究流體流動對內(nèi)皮細胞產(chǎn)生的機械力（剪切應(yīng)力）的影響。該技術(shù)已被用于包括神經(jīng)科學(xué)在內(nèi)的各個研究領(lǐng)域，以研究神經(jīng)血管功能和神經(jīng)病理學(xué)。
流動下的細胞培養(yǎng)使研究人員能夠在受控環(huán)境中研究機械力對內(nèi)皮腦血管細胞和 BBB 的影響。通過使內(nèi)皮細胞 (EC) 經(jīng)受流體流動，研究人員可以模擬 BBB 的生理條件，并深入了解其功能和功能障礙的潛在機制（應(yīng)用示例 6）。
應(yīng)用示例 6
hCMEC/D3細胞流體環(huán)境下培養(yǎng)
與所有 EC 一樣，人腦微血管 EC 會受到血流產(chǎn)生的恒定機械力（剪切應(yīng)力）的影響。與外周 EC 相比，剪切應(yīng)力對 hCMEC 的細胞和分子效應(yīng)知之甚少。
在最近的一項研究中，Choublier 等人。在生理層流下培養(yǎng) hCMEC/D3 細胞以研究體外剪切應(yīng)力的影響（工作流程圖 5）。
他們使用 hCMEC/D3 細胞作為體外模型來研究 BBB，因為它顯示了 BBB 的許多關(guān)鍵特性，包括緊密連接、轉(zhuǎn)運蛋白和酶。他們可以表明，與沿流動方向排列的外周內(nèi)皮細胞相比，hCMEC/D3 細胞垂直于流動方向排列。隨后的蛋白質(zhì)組學(xué)分析表明，層流生理剪切應(yīng)力會誘導(dǎo) hCMEC/D3 細胞靜止，從而導(dǎo)致 EC 以及 BBB 的保護和抗炎作用（Choublier 等人，2022）。
工作流程圖 5 使用 ibidi通道載玻片和ibidi泵系統(tǒng)進行流體環(huán)境下的細胞培養(yǎng)。
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