这篇论文的研究内容由Ahmed Sharaf及其团队在荷兰代尔夫特理工大学的精密与微系统工程系进行，研究成果发表在《Materials Today Bio》期刊上。研究的核心是探讨机械约束对神经元发育中关键机制的影响，特别是对细胞内信号转导蛋白YAP（Yes-associated protein）和MRTFA（Myocardin-related transcription factor A）的表达及其对神经突起生长的影响。
近年来，机械信号在细胞行为中的作用引起了广泛关注，尤其是在神经元发育过程中。YAP和MRTFA是两种重要的机械转导蛋白，分别在神经前体细胞的迁移、分化以及神经突起的生长和引导中发挥关键作用。然而，关于这两种蛋白在机械约束微环境中的作用，尤其是在体外实验中的研究仍然相对较少。因此，研究团队决定通过Nanoscribe Photonic Professional GT+的双光子聚合技术（2PP）制造2.5D微沟槽和3D微通道，以探讨机械约束对神经元发育的影响。
研究团队首先设计并制造了不同直径（5至30微米）的2.5D微沟槽和3D微通道。随后，他们在这些微结构上培养SH-SY5Y人神经母细胞瘤细胞，并将其分化为未成熟的神经元样细胞，以观察机械约束对细胞形态和蛋白表达的影响。研究中使用了共聚焦显微镜和扫描电子显微镜（SEM）来分析细胞的形态变化和YAP、MRTFA的核/细胞质比（N/C比）。研究结果显示，在2.5D微沟槽中，YAP和MRTFA的N/C比在10微米的沟槽中达到最大值，表明机械约束对这两种蛋白的表达有显著影响。而在3D微通道中，这两种蛋白的N/C比在5或10微米的通道中达到最小值，显示出与2.5D微沟槽中观察到的行为相反。这一发现强调了3D微环境的几何形状和机械约束的独特性。
此外，研究还发现，在2.5D微沟槽中，YAP的N/C比与平均神经突起长度呈现出反比关系，表明YAP的活性可能与神经元的分化状态相关。研究团队还对人诱导多能干细胞（hiPSCs）进行了培养，并将其分化为皮层神经元，结果显示YAP和MRTFA的N/C比在10微米的2.5D微沟槽中也达到了最大值，进一步验证了研究的生理相关性。尽管研究取得了一定的进展，但仍存在一些挑战和痛点。首先，关于YAP和MRTFA在不同机械约束条件下的具体作用机制仍不够明确，尤其是在3D微环境中，细胞的营养和氧气供应可能受到限制，影响细胞的生长和分化。其次，研究主要集中在SH-SY5Y细胞和hiPSC衍生的神经元上，未来需要扩展到其他类型的神经元，以验证结果的普适性。
未来的研究可以在以下几个方面进行深入探索：进一步探讨YAP和MRTFA在不同机械约束条件下的具体作用机制，尤其是它们如何通过细胞骨架的重组和焦点粘附的形成来调节神经元的生长和分化；开发更柔软的生物材料（如光交联水凝胶和弹性体），以研究不同刚度对神经元发育的影响；将研究扩展到神经退行性疾病模型（如阿尔茨海默病），以探讨机械信号在疾病进展中的作用；构建更复杂的多细胞系统，以研究细胞间相互作用对神经元发育的影响。
总之，这项研究为理解机械约束在神经元发育中的作用提供了新的视角，并为未来的神经生物学研究奠定了基础。通过进一步的探索，研究团队希望能够揭示更多关于细胞如何响应机械信号的机制，从而为神经再生和修复提供新的策略。
相关文献及图片出处
https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2024.101325
