近日，上海科技大学生命学院王彤课题组在国际学术期刊Lab on a Chip（《芯片实验室》）上发表了题为“Axons-on-a-chip for mimicking non-disruptive diffuse axonal injury underlying traumatic brain injury”的研究论文。该论文通过微流控和计算流体力技术建立神经元轴突损伤的芯片（axon-on-a-chip）模型，在体外精准诱导轴突损伤并实时观测纳米级细胞反应。
大脑是人体中最柔软的组织之一，即使正常的体育活动(如跳跃)也会产生2%到5%的形变。神经元轴突因其细且长的形态和单一的骨架结构，特别容易受到机械力导致的形变和损伤，影响其形态及功能。在由猛烈撞击等机械冲击造成的创伤性脑损伤 (traumatic brain injury, TBI) 中，弥漫性轴突损伤（diffuse axonal injury, DAI）是最常见和最严重的病理特征。弥漫性轴突损伤的特征是损伤轴突上会出现多个局部轴突肿胀 (FAS)，最终伴随着继发性损伤从而导致神经元的死亡。然而，由于在体医学成像的低时间和空间分辨率的限制，机械力对脑部的刺激如何诱导神经元产生原发性轴突损伤的机理仍然未知。
为了研究以上问题，王彤实验室和合作者共同建立了一个神经元轴突损伤的芯片模型，结合计算流体动力学和微流控技术，可以通过精确控制注入液体流速在体外诱导弥漫性轴突损伤形成，并兼容活细胞显微成像，以实时观测机械应力引发的即时亚细胞反应。
利用此体外轴突损伤模型，研究团队首先建立了流体流速和轴突损伤程度之间的相关性，并确定了在中枢神经元中诱导弥漫性轴突损伤的条件参数。随后，结合活细胞成像，进一步揭示了局部轴突肿胀形成的同时，还伴随着胞内钙离子浓度的激增。此外，在机械损伤发生的短时间内，轴突特有的周期性细胞骨架（MPS）会被迅速破坏掉。
研究团队还发现，这些即时损伤导致的现象被某种内在机理限制于受损伤轴突，从而不影响神经元的整体生存。本研究建立的神经损伤芯片提供了一个能够探索弥漫性轴突损伤早期机制的多功能装置，将可能为筛选针对机械性脑损伤有效的治疗方法提供高效的体外方法。
图1.神经元轴突损伤的芯片（axon-on-a-chip）模型及相关应用。
上海科技大学生命科学与技术学院王彤课题组2021级博士生潘小蓉和物质学院刘一凡课题组2021级博士生李婕为论文共同第一作者，王彤课题组2021级博士生冯妤和2020级硕士李祯煜为论文共同作者，王彤教授和阿德莱德大学的赵春霞教授为共同通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。上科大物质学院助理教授刘一凡参与了该工作。生命学院分子影像平台的工作人员对该项研究提供了技术帮助。该研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委以及上科大科研启动基金的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1039/D2LC00730D