模拟微重力条件下三维培养的神经干细胞分化和自我更新调控以及重建受损神经组织研究

As an important research issue, there are growing concerns about the influence of microgravity on human health. The neural stem cells (NSCs) are the ideal seed cells for nervous tissue construction. Three-dimensional (3-D) culture system not only provided the more physiologically 3-D environments for mechanism research, but also was a necessary carrier for medical application of NSCs. Our results indicated that 3-D cultured NSCs tended to differentiate into neurons in outer space conditions during the flight of space in SJ-10 satellite. Here we wanted to investigate the effect of stimulated microgravity on the proliferation/differentiation of 3-D cultured NSCs and their potential uses in neural tissue engineering, aiming to confirm the space experiment results and further to explore the possibility of transforming the space experiment results to achievements benefiting human being. In this study, we investigate the molecular mechanism of the proliferation/differentiation of 3-D cultured NSCs under microgravity through lncRNA-miRNA‑mRNA network analysis. And then, we plan to study the neural reconstruction utility of 3-D cultured NSCs under microgravity through central nerve system injury animal models. Above all, in this project we are planning to study the effects of microgravity on 3-D cultured NSCs by way of two aspects of molecular mechanism and tissue remodeling which will provide fundamental basis for microgravity application in future nervous tissue engineering.

微重力环境对生命体的作用是空间科学的一个重要研究方向。神经干细胞（NSC）是修复神经系统损伤的种子细胞。NSC三维培养体系，不仅为NSC分化和自我更新的基础研究提供更接近体内的三维环境，同时为NSC应用于用损伤组织重建提供必须的载体。在“实践十号”卫星开展的空间实验显示，空间微重力环境有效促进三维培养NSC向神经元分化，这一现象对神经干细胞的研究和应用有重要价值。本研究通过地面模拟微重力，开展微重力下三维培养NSC增殖/分化及组织构建的研究，将空间实验的研究成果进一步转化为造福人类的成果。通过lncRNA-miRNA-mRNA网络的分析，挖掘微重力调控三维培养NSC增殖/分化的分子机制。以中枢神经损伤模型为平台，研究微重力环境下三维培养NSC在缺损神经组织的再生和重构中应用价值。本项目从分子机制和组织重构两方面深入探讨了微重力对NSC的作用，为微重力在神经组织工程中的应用研究提供理论基础。

目前在许多通过神经干细胞移植治疗神经类相关疾病的研究中，研究人员发现单纯神经干细胞移植治疗，移植后的神经干细胞主要向星形胶质细胞分化，由此形成的胶质瘢痕抑制轴突的再生，是造成细胞移植治疗神经系统疾病不太理想的主要因素。寻找到有效的提高移植神经干细胞定向分化为神经元比例的方法，促进其在体内的迁移从而与周围神经细胞建立有效的功能整合是提高神经干细胞移植治疗效果的一种主要治疗策略。本研究中我们将基于胶原海绵支架材料的三维细胞培养技术与微重力环境相结合，探讨其是否能够作为一种更有效的组织工程学方法应用于神经干细胞组织工程研究中，进而提高神经干细胞移植治疗神经类疾病的治疗效果。首先我们通过FDA染色和扫描电镜检测证明神经干细胞能够很好的黏附在胶原海绵支架上，并且具有良好的细胞活力，进而我们通过免疫荧光染色检测神经干细胞向神经元和星形胶质细胞分化的分子标志物Tuj1，Map2和GFAP。免疫荧光染色结果提示与常规重力环境相比在微重力环境中神经干细胞向神经元方向分化的比例增加，特别是当分化培养基中含有NT3因子时。进而，我们通过RNA测序的方式，筛选微重力三维体系和常规重力三维体系内培养的神经干细胞中差异表达的miRNA和mRNA表达谱，通过生物信息学方法，整合分析mRNA-miRNA基因调控网络，从整体水平了解微重力环境参与调控神经干细胞分化的内在分子机制。基因调控网络提示在微重力环境中下调表达的let-7i-5p对NTRK3的表达具有调控作用，双荧光素酶活性实验和western实验证明了他们的调控作用，进而我们通过基因过表达和敲低的方法，证明let-7i-5p和NTRK3在神经干细胞分化和迁移中发挥的作用。同时，我们建立了脊髓损伤的大鼠动物模型，通过动物模型证实了微重力环境下培养的三维培养神经干细胞在体内也具有更好的迁移能力。本课题为微重力环境应用于未来的组织工程学研究提供了实验基础，本研究的研究成果为未来组织工程和再生医学研究提供一条新途径。

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