物理干预调控小胶质细胞的神经保护作用及机制研究

Physical intervention has specific biological effects, such as hypothermic neuroprotection, direct current electric field (EF) guided cell directional migration and wound healing. Microglia (MG) is dramatically involved in the inflammatory process following traumatic brain injury (TBI), which functioning on both neuroprotection and neuro-deterioration. Together with the findings from our pilot experiment (hypothermia and/or EF regulates the phenotypic transformation of M1/ M2 of MG, modulates cell motility and directional migration), we speculate that hypothermia and/or EF may regulate phenotypic transformation of MG, induce MG directional migration, and function as neuroprotection via certain molecular mechanism. In this study we intend to explore the biological effects and mechanism of hypothermia and EF on microglia in vitro. We will then explore the neuroprotection of physical intervention in vivo through a controlled cortex injury model, and verify the effect of Gas5 signaling pathway (Gas5-miR-103-PTEN/ LRRK2) in MG. We will finally examine the biological effects of hypothermia and applied EF on human-derived microglia. This study will provide fundamental evidence for the hypothermia and EF application (individually or jointly) in neuroprotection. Novel treatment strategy for TBI will possibly be developed gradually.

物理干预有特殊的生物学效应，如低温的神经保护作用、直流电场的诱导细胞定向迁移及创伤修复作用。基于小胶质细胞（MG）参与颅脑创伤后的炎症反应并有神经保护和损伤的双向作用，结合前期预实验初步发现（低温、电场干预可调控小胶质细胞M1/M2型比例，调控细胞运动能力和迁移方向），我们推测：低温和电场干预能通过一定的分子机制，调控MG表型转变并诱导细胞定向迁移，协调发挥神经保护作用。本研究将通过体外细胞实验，研究低温及电场干预对MG功能的影响、相关分子机制；其次构建小鼠控制性皮层损伤模型，从动物在体水平研究物理干预的神经保护作用，尤其是Gas5信号通路（Gas5-miR-103-PTEN/LRRK2）对MG功能的影响；最后，明确低温及电场干预对人源性MG功能、趋电运动特性的影响。该项研究将为低温和电场单独或联合应用于神经保护提供理论依据，为颅脑创伤提供新的治疗策略。

低温干预（临床常用 33～35 °C）应用于 TBI 已有 50 多年的历史，低温不仅能够减轻颅脑创伤（Traumatic brain injury，TBI）兴奋性毒性作用和酸中毒，并且能够改善颅脑创伤后组织学变化及神经功能。然而低温对颅脑创伤后小胶质细胞的炎症反应的作用目前尚不清楚。2006年，Zhao Min 教授首次提出直流电场可以诱导细胞迁移，促进损伤组织的修复与再生。同时研究人员也发现直流电场可以促进神经干细胞、星型胶质细胞、海马神经元以及少突胶质细胞等神经细胞定向迁移，但小胶质细胞是否具有该特性目前尚不知晓。因此本项国自然主要聚焦于低温和直流电场等物理因素，探索物理干预—低温是否能够影响小胶质细胞的功能；电场是否能够增强小胶质细胞的运动能力及方向性运动，从而隔离损伤部位、吞噬坏死组织，最终发挥神经保护作用。本项目首先发现，在炎症物质的刺激下，小胶质细胞会发生促炎反应，同时会向M1型胶质细胞转变，但是低温干预可以逆转小胶质细胞向M1型方向转变。随后，本项目发现，直流电场可以促进小胶质细胞向负极方向运动，并且该运动具有电场强度依赖性和时间依赖性。接下来本实验通过RNA next-generation sequence实验筛选出电场诱导小胶质细胞定向运动的可能的相关机制，并通过Western blot、siRNA干扰，质粒过表达等实验，验证出ERK1/2-GKS3β-Cofilin通路参与到直流电场诱导的小胶质细胞定向迁移中。最后本项目探究直流电场对小胶质细胞功能状态的影响，发现直流电场不促进小胶质细胞炎症因子的释放，也不促进其向M1方向转变。综上所述，本研究首次发现了电场促进小胶质细胞向负极定向迁移，并对其内在机制做出探究，同时也发现了低温对于小胶质细胞炎症反应的抑制作用，这为未来临床减少TBI后的神经系统的炎症与破坏、促进神经修复与再生具有重要意义。