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科学家研发出新型三维碳神经支架 有望用于治疗阿尔茨海默症

2019-02-26 14:17:06

(观察者网讯)

新华社南京2月26日电(记者王珏玢)记者从中科院苏州纳米所获悉,由中国、意大利、美国学者组成的一个国际研究团队,最新研发出一种三维石墨烯-碳纳米管复合网络支架。这种生物支架能很好地模拟大脑皮层结构,未来,研究者们不仅能借助支架清晰、直观地看到脑部疾病的发展过程,还有望将其植入大脑,用于阿尔茨海默症等多种神经退行性疾病的治疗。

碳神经支架是一种基于石墨烯、碳纳米管等新型超微碳材料的生物支架。它通过模拟体内复杂的微环境,构建神经干细胞和原代神经元的生长环境。科研人员发现,相比在二维的培养皿中观察、培养神经细胞,三维支架更接近脑部实际环境,神经干细胞的增殖和定向分化效率也大大提高。

此次研究中,合作组成员用石墨烯模拟大脑内部四通八达的三维框架,用更微小的碳纳米管模拟神经元细胞,成功构建出“互联互通”的三维复合碳神经支架。利用这种支架培养原代大脑皮层神经元,能更好地模拟大脑皮层的复杂性。研究者将脑胶质瘤细胞“种植”在构建的大脑皮层模型中,结合先进的成像和分析技术,就能清晰看到肿瘤细胞的发展进程。此外,研究者还构建了药物治疗模型,利用三维支架观察不同抗癌药物对肿瘤的实际抑制效果。

“新支架不仅能用于药物的筛选,未来还可能被移植进人体,用于阿尔茨海默症、帕金森综合征等疾病的治疗。”参与此项研究的中科院纳米-生物界面重点实验室研究员程国胜说,针对多种神经退行性疾病的治疗,医学界已经提出移植神经干细胞的构想。三维碳神经支架将是很好的载体,它能帮助医生将神经干细胞精准放置到病变地点,并帮助其增殖、分化,以实现治疗的目的。

相关研究成果已于近期发表在材料学领域国际权威刊物《先进材料》(Advanced Materials)上。

 Advanced Materials杂志内封面介绍文字及配图

中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所介绍,微环境中支架维度、刚度、拓扑结构等物理因素,表面功能团修饰等化学因素,以及胞外因子缓控释等生物因素,决定了干细胞增殖状态与分化方向的命运。

基于石墨烯和碳纳米管的生物材料具有优异的生物相容性、突出的导电性以及良好的可操作性和机械稳定性,在神经电级、组织工程和再生医学等领域获得了较广泛的应用。碳纳米管的一维独特结构使其能够与细胞形成紧密联系从而促进神经电信号传导;三维石墨烯具有优异的三维可操作性,可为细胞的生命活动提供良好的三维微环境。

中科院纳米-生物界面重点实验室程国胜团队一直以来致力于开发基于碳材料的三维生物支架,模拟体内微环境的复杂性,构建神经干细胞和原代神经元的生长微环境。该团队率先提出了三维石墨烯泡沫神经支架,经过多年努力,对三维石墨烯如何调控神经干细胞增殖、分化、迁移、粘附,进行了深入研究,取得了较系统性研究成果(Scientific Reports, 2013, 3, 1604;2016, 6, 29640; Biomaterials, 2013,34, 6402;2014, 35, 6930;ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8, 25069;2016, 8, 34227)。

三维石墨烯生物学特性与其结构和尺寸紧密联系,通过控制三维石墨烯的结构和尺寸,能够有效调控其性质,以满足不同的应用需求。该团队利用微纳加工技术的可控性,采用光刻、电镀、退火、化学气相沉积等方法获得了形状和尺寸均一的“量身定制”三维石墨烯支架(Advanced Functional Materials, 2015, 25, 6165, inside cover)。在此工作基础上,在三维石墨烯的底部设计了二维石墨烯薄膜,利用化学气相沉积法构建了三维-二维石墨烯复合支架,将其作为神经支架,底部二维石墨烯薄膜能够为神经细胞在孔隙间的有效跨越提供支撑,更好地模拟神经网络。此外,该复合支架的形状和尺寸精确可控,通过改变支架宽度可调控神经祖细胞的定向分化行为,该研究结果近期发表于Carbon, 2019, 145, 90。

石墨烯构建各种碳材料的示意图

最近,程国胜团队通过与意大利国际高等研究院(SISSA)合作,成功构建了“互联互通”三维石墨烯-碳纳米管复合网络支架。这种三维碳复合材料成功克服了传统三维石墨烯泡沫空隙过大的缺点,同时真正意义上实现了碳纳米管三维空间网络的构建。碳纳米管在石墨烯表面的原位生长,使得复合支架具有优异的导电性和机械稳定性,实现了碳纳米管和石墨烯的三维几何,机械和电学互联互通。利用这种复合支架培养原代大脑皮层神经元,其能更好地模拟大脑皮层的复杂性。将脑胶质瘤细胞种植在构建的大脑皮层模型中,利用先进的成像和分析技术,系统研究了单胶质瘤细胞在三维空间上的速度分步,成功构建了脑胶质瘤的运动模型。对于新型药物的筛选以及进一步的精准医疗具有重要意义。目前该工作以内封面发表在《先进材料》(Advanced Materials, 2018, 30, 1806132, inside cover)。Wiley旗下Advanced Science News对该工作进行了重点视频报道 (https://www.advancedsciencenews.com/mimicking-brain-connectivity-with-a-graphene-carbon-nanotube-web-video/)。

这些研究进展得到了“干细胞研究”国家重大科学研究计划(2014CB965000)、国家自然科学基金委国际合作重点专项(51361130033)、江苏省重点研发计划(BE2017665)等项目资助,并得到了苏州纳米所分析测试与加工平台的大力支持。

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来源:观察者网 | 责任编辑:严珊珊
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