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用于研究神经炎症中神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞相互作用三重细胞培养模型

神经炎症存在于中枢神经系统 (CNS) 的大多数病理条件中,要么是这些条件的主要驱动因素,要么是疾病进展后神经退行性病变或内稳态遭到破坏时的免疫反应。在 CNS 受到损伤后,与神经炎症相关的两种主要细胞类型:小胶质细胞和星形胶质细胞被“激活”,表现为形态和表型的变化。此外,神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞之间的串扰已被证明在观察到的神经炎症反应中发挥着重要作用。


虽然有许多研究神经炎症的体内模型,但体外模型通常用于研究特定的分子途径。目前的神经炎症细胞培养模型通常是单个细胞类型的培养,将条件培养基从一种细胞类型转移到另一种细胞类型。虽然这些模型为神经炎症过程提供了重要的见解,但这些模型无法观察膜结合或细胞邻近依赖机制的影响。

神经元和星形胶质细胞的共培养是另一种体外研究神经炎症的既定方法。由于神经元和星形胶质细胞的培养条件相似,因此可以在更长的时间范围内研究这些共培养物。

然而,上述神经炎症模型都无法捕捉到神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞之间的重要相互作用。因此,需要新的多细胞培养系统,能够模拟 CNS 中不同细胞之间的串扰对神经炎症的影响。

为了解决现有体外神经炎症模型的缺点,加州大学戴维斯分校生物医学工程系、分子生物科学系、电气与计算机工程系的研究团队开发了一种增强型细胞培养模型,该模型由与神经炎症相关的三种主要细胞类型—神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞组成。原代大鼠皮质细胞保持在无血清培养基中,以支持所有三种细胞类型。相关研究成果发表在 Journal of Neuroinflammation。

方法

取自新生大鼠的原代皮层细胞在无血清的“三重培养”基中培养,以支持神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞,或“共培养”基中培养,以支持神经元和星形胶质细胞。用 Caspase 3/7 活性和形态学变化来量化两种培养类型对不同神经炎症刺激的响应,模拟无菌细菌感染 (脂多糖(LPS)暴露)、机械损伤 (划伤) 和癫痫发作 (谷氨酸诱导的兴奋性毒性)。此外,还比较了对照组和 LPS 暴露的共培养和三重培养的细胞因子分泌谱。

结果

三重培养在体外 14 天内保持了神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞的生理相关表征,而共培养的神经元和星形胶质细胞数量相似,但缺乏小胶质细胞。小胶质细胞的持续存在并未对三重培养中神经元的整体健康产生负面影响,这表明 caspase 3/7 活性降低,轴突生长与共培养相似,同时小胶质细胞分泌的神经营养因子 IGF-1 增加,条件培养基中 CX3CL1 浓度显著降低。


LPS 暴露的三重培养物显示出星形胶质细胞显著肥大,caspase 3/7 活性增加,以及许多促炎细胞因子 (如TNF、IL-1α、IL-1β和IL-6) 的分泌,而在 LPS 暴露的共培养物中没有观察到这些。

在机械损伤后,与共培养相比,三重培养显示出增加的 caspase 3/7 活性,同时增加了星形胶质细胞向损伤源的迁移。

最后,三重培养中的小胶质细胞在谷氨酸诱导的兴奋性毒性过程中发挥了重要的神经保护作用,神经元损失和星形胶质细胞肥大显著减少。

该团队描述了一个由神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞三种细胞组成的原代神经细胞培养模型。这种三重培养对 LPS 暴露、机械损伤和谷氨酸诱导的兴奋性毒性的反应比已建立的神经元-星形胶质细胞共培养模型更真实地模拟了体内反应。这种三重培养模型可以成为研究体外神经炎症的有效工具。





参考文献:Goshi N, Morgan RK, Lein PJ, Seker E. A primary neural cell culture model to study neuron, astrocyte, and microglia interactions in neuroinflammation. J Neuroinflammation. 2020 May 11;17(1):155. doi: 10.1186/s12974-020-01819-z. PMID: 32393376; PMCID: PMC7216677.
原文链接:https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/32393376/
图片来源:所有图片均来源于参考文献

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