用分隔微流体系统模拟中枢和末梢神经系统的连通性

项目背景

慢性疼痛是全球最大的疾病负担。慢性疼痛发生在强烈的神经元活动之后，但痛觉背后的细胞和分子机制，特别是从急性疼痛到慢性疼痛的转变，还没有很好地理解。痛觉回路是复杂的，涉及到几种不同神经元类型之间的相互作用。这种复杂性很难用电流来建模在体外痛觉的模型和研究通常依赖于在活的有机体内系统。然而，动物模型准确预测镇痛药物的临床疗效一直存在问题。

我们为什么要资助它

本博士研究生项目旨在通过开发分隔微流体细胞培养系统来降低动物模型在痛觉研究中的要求。

一个在活的有机体内将单剂量的候选药物与对照组进行伤害感受功能行为测试的研究，需要大约20只大鼠。假设有15种不同的实验条件，例如筛选15种不同的药物，那么通常需要大约300只老鼠。在本方案中开发的微流体系统有可能将所需的老鼠数量减少90%，将上述假设研究所需的老鼠从300只减少到30只。

研究方法

痛觉回路从中枢神经系统(CNS)延伸到外周，将众多目标组织连接到CNS。神经细胞的亚细胞间隔是独立的，存在于不同的环境中，例如细胞体在背根神经节，而末梢在中枢神经系统或外周组织中。这种分隔和痛感回路的极化目前还没有反映在在体外模型。本研究建议使用分隔微流体系统来培养从大鼠胚胎分离的初级神经元，同时保留所见的形态发育在活的有机体内．从一只大鼠中分离出的胚胎能够产生足够的神经元在30个微流体室中培养。一旦开发完成，该系统将用于确定microRNA (miRNA)调控在急性到慢性痛觉过渡中的作用。微流控系统除了具有在疼痛研究中筛选化合物的潜力外，还具有研究新的分子机制的能力。

控制慢性痛觉发展的机制尚未完全了解。尽管最近取得了一些进展，但痛觉回路中不同类型神经元之间复杂的相互作用在体外还没有得到充分的模拟，细胞培养实验忽略了背根神经节(DRG)神经元不可思议的解剖极化。

在这种情况下，显然有必要实现生理相关的体外系统，可以在多细胞电路复杂性的背景下研究细胞和分子机制。具有流体隔离隔室的培养平台允许在更生理相关的环境中对神经元结构域进行功能分离。我们已经证明了在功能实验中，通过测量微流体系统的细胞体室中的Ca2+信号，可以复制DRG神经元的伪单极特性。

我们将通过依次增加网络复杂性的级别来进一步开发这些新的文化系统。背角初级神经元和角化细胞将被播种到三通道微流体装置的侧室中，其中通道有DRG神经元。该系统将模拟DRG神经元电路的中心和外围区域，但具有更大的实验可及性。

我们的初步工作确定了在超痛觉启动中发生变化的关键miRNAs，这是一种研究急性到慢性疼痛过渡的体内模型。虽然局部蛋白表达已被认为在高痛觉启动机制中，但miRNAs的作用尚未被研究。使用所提出的系统，miRNA抑制剂将被添加到外周和中央隔室中，同时神经元的兴奋性和突触标记的表达将被评估。这将使我们能够确定miRNAs在痛觉过程中控制蛋白质表达和神经回路局部调节中的潜在作用。