中枢神经系统神经胶质细胞和神经元的生物力学性质

论文摘要

细胞的生物力学性质（biomechanical property）在机体的发育、正常功能发挥以及疾病过程中起重要的作用。对其他组织的力学性质的研究已有许多报道，如骨组织在力负荷作用下的生长、血细胞变形游走需要细胞具有特殊的力学性质（mechanical property）等；然而，仅在最近的几年才有少数的报道涉及探讨中枢神经系统的力学性质。实际上，力学现象在中枢神经系统中也起很重要的作用，如神经细胞在神经系统的发育过程中受牵拉变形（典型的例子是脊髓末段马尾的形成）。细胞在力的作用下如何变形，决定于细胞对力的感知（mechanosensing）和转导（force transduction），以及细胞内在的力学性质。目前，我们关于神经细胞的力学性质的知识十分有限，由于这个原因，关于神经胶质细胞力学性质的两个完全相反的预言被广泛接受：（1）神经胶质细胞（glia，在希腊语中意为胶水）的特性是粘性的（viscous）；（2）神经胶质细胞在神经组织结构中起“支柱”（support pillar）作用，其特性是很硬的（stiff or hard），如视网膜Müller胶质细胞。这些细胞的生物力学性质可能影响神经组织结构的形成以及神经元-神经胶质细胞间的交互作用（neuron-glia cross talk）。为此，在本研究中，我们将初步探讨中枢神经系统的神经元以及神经胶质细胞的力学性质。我们利用扫描力显微镜法（scanning force microscopy）定量检测了神经细胞的粘弹性（viscoelasticity）。利用扫描力显微镜法检测细胞粘弹性，最适宜的方法是检测过程中，在探头（cantilever）的直流的信号上叠加一个高频低振幅的振荡信号进行检测。我们在3个不同的频率下（30，100，200 Hz）检测了自成年哺乳动物中枢神经系统的两个区域急性分离而得的神经细胞：（1）从海马分离的锥体神经元（pyramidal neuron）以及星形胶质细胞；（2）从视网膜分离的中间神经元（interneurons，即双极细胞[bipolar cells]和无长突细胞[amacrine cells]），以及Müller胶质细胞。结果以构成复数型粘弹性常数K*（complex viscoelastic constant）的两部分描述，即实数部分K′（此部分反映细胞的弹性／硬度[elasticity／stiffness]和储存能量反应[elastic storage response]）和虚数部分K″（此部分反映细胞的粘性[viscosity]和耗散能量反应[viscous loss response]）。此外，我们还首次报道了细胞各部分的泊松比（Poisson’s ratio），该指标反映物体（细胞）在力的作用下横应变与纵应变之间的比值。我们发现：（1）神经元的弹性常数约为1000 Pa，低于已报道的其他细胞的弹性常数（如纤维母细胞），这样，纤维母细胞的硬度是神经元的两倍；（2）神经胶质细胞比神经元软一倍；（3）神经元和神经胶质细胞的K′均高于他们的K″，即相比于粘性，他们的弹性占优势。这说明胶质细胞具有象屈从性的软弹簧（very soft and compliant spring）一样的特性，神经元和神经胶质细胞展示了象很软的橡胶一样的力学性质。我们实验室平行进行的组织和单细胞水平的生物物理实验结果，和以上结果一致，如组织切片流变学（bulk rheological measurement）和激光细胞牵拉器（optical cell stretcher）检测，以及透射电镜的结果。另外，我们以视网膜Müller胶质细胞为例，检测了单个神经细胞不同部位的粘弹性。据Müller细胞的形态，沿其长轴（从Müller细胞的终足到巩膜）分为：终足（endfoot），内突起（inner process），胞体（soma），外突起（outer process）。Müller细胞具有复杂的细胞骨架且细胞各部分有不同的细胞器。除肌动蛋白纤维丝（actin filaments，其构成整个细胞的‘皮质’cortex）外，Müller细胞的终足含有致密的滑面内质网，内突起主要含中间丝，胞体主要含细胞核，外突起主要含微管。我们的结果显示，Müller细胞的突起比其终足和胞体软，胞体是该细胞最硬的部分。海马锥体神经元（其胞体主要含细胞核，其突起主要含微管）的检测结果显示，神经元的突起比胞体软。这表明单个神经细胞不同部位的粘弹性可由细胞的亚细胞结构决定，但这还需要进一步实验证实。总之，我们的结果显示，中枢神经系统的神经元和神经胶质细胞的力学特性是很软的（具橡胶样弹性的，‘rubber elastic’）且有相当大的粘性（耗散能量的，‘dissipative’）；神经元和神经胶质细胞的粘弹性以它们的弹性占优势；神经胶质细胞比神经元更软（即更容易变形）。因此，我们认为，神经胶质细胞的作用既不是中枢神经组织结构的“支柱”，也不是粘合神经元的“胶水”；实际上，神经胶质细胞象一种减震材料一样紧紧围在神经元周围，在受到机械性损伤时，神经胶质细胞可以防止或减轻神经元的受损。更重要的是，神经胶质细胞构成了一种很软的、适于神经元及其突起生长的底物，因此，神经胶质细胞的这种生物力学性质利于神经元的可塑性形成（neuronal plasticity）。

论文目录

• Glossary
• Abstract
• 摘要
• 1. Introduction
• 1.1 Cell mechanics involved in physiological and pathological functions
• 1.1.1 Cell mechanics outside the Central Nervous System （CNS）
• 1.1.2 CNS cell mechanics
• 1.2 Aim of the present work
• 1.3 Viscoelasticity
• 1.4 Cellular microrheology
• 2. Materials and Methods
• 2.1 Cell preparation
• 2.1.1 Experimental animals
• 2.1.2 Solutions
• 2.1.3 Isolation of pyramidal cells and astrocytes from murine hippocampus
• 2.1.4 Isolation of neurons and Müller （glial） cells from guinea-pig retina
• 2.1.5 Primary neuron cultures from rat brain cortex
• 2.2 Scanning force microscopy （SFM）
• 2.2.1 Functional principle of the SFM
• 2.2.2 Cantilever tip modification
• 2.2.3 Characterization of probes
• 2.2.4 Cantilever calibration
• 2.2.5 Measurement of viscoelastic properties
• 2.2.6 Data analysis
• 2.3 Polarized light microscopy （Polarization microscopy）
• 2.4 Statistical analysis
• 3. Results
• 3.1 Cell preparation
• 3.2 Viscoelastic properties of neurons and glial cells
• 3.3 Cell compartment specific SFM on glial （Müller） cells and pyramidal neurons
• 3.4 Viscoelastic properties of primary neuron cultures
• 3.5 Poisson's ratio v of the investigated cellular parts
• 4. Discussion
• 5. Conclusions
• 全文结论
• References
• 综述
• 在读期间发表论文和获奖成果
• Acknowledgements