本研究提出了一种自下而上的方法,通过工程化局部磁力来调控神经元的排列结构。将载有磁性纳米颗粒(MNPs)的类神经元细胞接种于具有垂直磁化的微图案化平台表面,并实现对其的操控。文中还描述了磁性表征、磁性纳米颗粒的细胞摄取、细胞活力检测以及统计学分析方法。
本研究提出了一种自下而上的方法,通过工程化局部磁力来调控神经元的排列结构。将载有磁性纳米颗粒(MNPs)的类神经元细胞接种于具有垂直磁化的微图案化平台表面,并实现对其的操控。文中还描述了磁性表征、磁性纳米颗粒的细胞摄取、细胞活力检测以及统计学分析方法。
将神经元引导形成有序神经网络的能力在再生医学、组织工程和生物界面领域具有重要意义。许多研究致力于利用化学和拓扑线索来引导神经元的生长。然而,在大范围内实现微米尺度组织控制的报道仍十分有限。本文介绍了一种有效的方法,通过嵌入微图案化磁性元件的磁性平台,以微米级分辨率将神经元定位在预设位点并引导其轴突发育。研究表明,通过将磁性纳米颗粒(MNPs)导入神经元,可使其转变为对磁场梯度敏感的磁性单元。基于该策略,研究人员制备了一种独特的磁性平台,并在平台上接种了常见的类神经元模型——PC12细胞,同时将其加载超顺磁性纳米颗粒。通过沉积具有稳定垂直磁化的铁磁性(FM)多层薄膜,为磁性图案提供有效的吸引力。这些加载了MNP的PC12细胞在磁性平台上贴附并分化后,优先附着于磁性图案区域,且其神经突的生长方向与图案形状高度一致,形成取向明确的神经网络。本文还提供了磁性特性、细胞对MNP的摄取、细胞活力以及结果统计分析的定量表征方法。该方法通过调控磁力实现了对神经网络形成的控制,并改善了神经元与电极之间的界面连接,有望成为体外神经网络研究的有效工具,并为新型治疗性生物界面提供新方向。
神经元的微图形化在组织再生1,2,3,4,5以及神经电子器件的开发6,7,8方面具有巨大潜力。然而,像生物组织中那样,在高空间分辨率下实现神经元的微米级精确定位仍面临重大挑战。在此尺度上构建预设结构,需要通过局部控制胞体运动和轴突生长来引导神经细胞的突起。以往研究已提出利用化学和物理信号9,10,11,12来引导神经元生长。本文介绍一种新方法,即通过磁场梯度控制细胞定位13,14,15,16,17,将载有磁性纳米颗粒(MNPs)的细胞转变为具有磁敏感性的单元,从而实现远程操控。
Kunze 等人通过使用磁性芯片和加载磁性纳米颗粒(MNP)的细胞,表征了诱导细胞反应所需的力,证明细胞内机械张力可触发早期轴突伸长18。Tay 等人证实,具有增强磁场梯度的微加工基底可实现对加载磁性纳米颗粒并使用钙指示剂染料标记的神经回路进行无线刺激19。此外,Tseng 等人使细胞内的纳米颗粒发生聚集,产生接近细胞张力的局部纳米颗粒介导的力20。这推动了特定微磁性基底图案的制备,有助于研究细胞对机械力的响应。通过在细胞内聚集纳米颗粒,实现了由局部纳米颗粒介导的力所引发的细胞张力20。Lee 等人开发了一种互补金属氧化物半导体(CMOS)-微流控混合系统,将微电磁阵列嵌入 CMOS 芯片中,以控制标记有磁性微珠的单个细胞的运动21。
Alon 等人利用微尺度、预编程的磁性垫作为磁性"热点"来定位细胞22。还可利用微图案化磁性阵列将纳米颗粒定位在特定的亚细胞位置,从而在细胞内刺激特定活性23。已有研究成功证明水蛭、大鼠和小鼠的原代神经元均可摄取磁性纳米颗粒(MNP)24,25,26。本文中,该方法应用于大鼠 PC12 嗜铬细胞瘤细胞系,此前已有报道称该细胞系对磁性纳米颗粒具有较高的摄取能力27。近年来,磁性纳米颗粒已在多种医学领域得到应用,包括癌症治疗中的药物递送和热疗28,29,30,31。具体而言,已有研究涉及磁性纳米颗粒与神经元网络的应用32,33,34,35。然而,利用磁性纳米颗粒在单细胞水平上对神经元进行磁性调控仍需进一步研究。
本研究介绍了一种自下而上的方法,通过预设计的平台调控神经元排列,以构建局部磁力。文中展示了铁磁多层膜微米级图案的制备过程。这种独特的铁磁多层结构可产生稳定的垂直磁化,从而对所有磁性图案产生有效的吸引力。通过孵育,将磁性纳米颗粒(MNPs)载入PC12细胞,使其转变为具有磁敏感性的单元。将载有磁性纳米颗粒的细胞接种于磁性平台上并诱导其分化,这些细胞优先附着于磁性图案区域,且神经突的生长方向与图案形状高度一致,形成取向性神经网络。本文还描述了多种表征铁磁多层膜和磁性纳米颗粒磁学性能的方法,以及细胞摄取磁性纳米颗粒和细胞活力检测的技术。此外,详细阐述了神经元生长的形态计量学参数及结果的统计学分析方法。
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注意:所有生物反应均须在生物安全柜中进行。
1. 磁性平台的制备
2. 通过输运测量表征磁性器件
3. 通过磁强计测量对磁性纳米颗粒和磁性多层膜的表征
4. 胶原蛋白包被方案
5. 细胞对MNP的摄取及存活率
6. 使用电感耦合等离子体(ICP)表征细胞内磁性纳米颗粒浓度
7. 磁性平台上的细胞分化与生长
8. 载有磁性纳米颗粒的细胞染色
9. 测量与统计分析
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制备了具有不同几何形状的磁性平台(图1A)。通过溅射沉积磁性图案:共沉积14层Co80Fe20和Pd,厚度分别为0.2 nm和1 nm。电子显微镜显示磁性图案的总高度约为18 nm(图1B)。这种独特的铁磁多层结构沉积形成了一种相对于基底平面具有垂直磁各向异性(PMA)的稳定平台,可使负载磁性纳米颗粒(MNP)的细胞被吸引至整个磁性图案区域,而不仅限于其边缘22,37。该铁磁多层结构的参数通过磁输运测量进行表征,为此制备了一个十字形的铁磁多层器件(图1C插图),并通过反常霍尔效应(AHE)测量垂直于基底方向的磁化强度,其中AHE电阻与垂直磁化强度成正比38。AHE随磁场变化的测量结果呈现出...
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代表性结果表明,本研究所提出的方法在微米尺度上控制和组织神经元网络形成方面具有显著效果。载有磁性纳米颗粒(MNP)的PC12细胞保持了良好的活性,并转化为对磁场敏感的单元,能够被铁磁(FM)电极产生的磁力引导至特定位置。这一点在图5C中表现得最为明显:细胞优先黏附于六边形结构的较大顶点处,而非细线部分。此外,细胞的分支生长也良好地遵循了磁性图案的分布。所有对照实验均明确表明,细胞体及其突起的定位是由磁力所引导的。尽管已有研究证明拓扑结构线索可用于引导神经突生长40,41,但本实验中并非如此,因为未负载磁性纳米颗粒的细胞对图案形状无任何响应。
采用自下而上的方法,利用许多研究机构中常见的标准光刻和溅射沉积技术来调控局部磁力,从而促进众多研究人员采用这些技术。该自下而上的方法可根据研究人员的需求灵活设计复杂图案和形状,在厘米尺度的区域内实现微米级分辨率。尽管实验结果是在玻璃载片上实现的,但原则上也可在其他适用于...
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作者声明不存在竞争性经济利益。
本研究由科学部资助 & 技术,以色列,以及以色列科学基金会(569/16)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 16% 多聚甲醛(甲醛)水溶液 | ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES | 15710 | |
| 6 孔细胞培养板 | FALCON | 353846 | |
| 96 孔细胞培养板 | SPL life sciences | 30096 | |
| 两性霉素 B 溶液 | Biological Industries | 03-028-1B | |
| AZ 1514H 光刻胶 | MicroChemicals GmbH | ||
| AZ 351 B 显影液 | MicroChemicals GmbH | ||
| 牛血清白蛋白(BSA) | Biological Industries | 03-010-1B | |
| 细胞和组织培养瓶 | Biofil | TCF002250 | 75.0 cm^2 250 mL 透气盖,未处理 |
| 细胞培养皿 | Greiner Bio-One | 627-160 | 35 mm |
| 细胞增殖检测试剂盒(基于 XTT) | Biological Industries | 20-300-1000 | |
| 离心管 | Biofil | CFT021500 | 50 mL |
| Co80Fe20 at% 溅射靶材 | ACI Alloys | 99.95% | |
| I 型胶原蛋白 | Corning Inc. | 354236 | 大鼠尾,浓度范围 3–4 mg/mL |
| 共聚焦显微镜 | Leica | TCS SP5 | |
| Cy2 标记的驴抗兔二抗 | Jackson ImmunoResearch Laboratories, Inc. | 711-165-152 | |
| DAPI 氟封片剂 | SouthernBiotech | 0100-20 | |
| 一次性针头 | KDL | 23 G | |
| 一次性 注射器 | Medispo | 1160227640 | 10 mL |
| 供体马血清 | Biological Industries | 04-124-1A | |
| ELISA 酶标仪 | Merk Millipore | BioTek synergy 4 混合型微孔板读板仪 | |
| 70% 乙醇 | ROMICAL LTD | 19-009102-80 | |
| 无水乙醇(脱水乙醇) | Biolab-chemicals | 52505 | |
| 胎牛血清(FBS) | Biological Industries | 04-127-1A | |
| 新鲜小鼠 β-NGF | Peprotech | 450-34 | |
| GMW C 型框架电磁铁 | Buckley systems LTD | 3470, 45 mm | |
| 32% 盐酸 | DAEJUNG CHEMICAL & METALS | 4170-4100 | |
| ImageJ | 美国国立卫生研究院,贝塞斯达 | NeuronJ 插件 | |
| 电感耦合等离子体(ICP) | Ametek Spectro | SPECTRO ARCOS ICP-OES,FHX22 多视角等离子体 | |
| 吉时利源表 | Keithley | 2400 | |
| 吉时利开关系统 | Keithley | 3700 | |
| L-谷氨酰胺 | Biological Industries | 03-020-1B | |
| 光学显微镜 | Leica | DMIL LED | |
| 无掩模光刻系统 | Heidelberg Inst. | MLA150 | |
| 显微镜载玻片 | BAR-NAOR | BN1042000C | |
| 70% 硝酸 | Sigma-Aldrich | 438073 | |
| 正常驴血清(NDS) | Sigma | D9663 | |
| PBS 10x | hylabs | BP507/1LD | |
| PC12 细胞系 | ATCC | CRL-1721 | |
| Pd 溅射靶材 | ACI Alloys | 99.95% | |
| 青霉素-链霉素-制霉菌素溶液 | Biological Industries | 03-032-1B | |
| PrestoBlue 细胞活力试剂 | Molecular probes | A-13261 | 基于刃天青 |
| 兔抗 α-微管蛋白抗体 | Santa Cruz Biotechnology, Inc. | ||
| 射频磁控溅射系统 | Orion AJA Int. | Orion 8 | |
| 含 L-谷氨酰胺的 RPMI 1640 培养基 | Biological Industries | 01-100-1A | |
| 超声波清洗仪 | KUDOS | SK3210HP | 频率:53 kHz;超声功率:135 W |
| SQUID 磁强计 | Quantum Design, CA | ||
| 吐温 X-100 | CHEM-IMPEX INTERNATIONAL | 1279 | 非离子型表面活性剂 |
| XTT 细胞活力试剂 |
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