EGFR+NSCs来源的外泌体的局部递送通过miR-34a-5p/HDAC6通路促进脊髓损伤后的神经再生

Local delivery of EGFR+NSCs-derived exosomes promotes neural regeneration post spinal cord injury via miR-34a-5p/HDAC6 pathway.

作者信息Tian Qin, Chengjun Li, Yan Xu, Yiming Qin, Yuxin Jin, Rundong He, Zixiang Luo, Jinyun Zhao, Chunyue Duan, Hongbin Lu, Yong Cao, Jianzhong Hu
PMID38059122
发布时间2023-11-28
DOI10.1016/j.bioactmat.2023.11.013

实验完整度

高

包含体外细胞实验(神经元培养、微流控轴突再生)、体内动物模型(小鼠脊髓损伤模型)、分子机制验证(miRNA靶向、Western blot、免疫荧光)等多层级证据。

主要模型

小鼠脊髓损伤模型 原代皮层神经元 EGFR+NSCs及其外泌体

重点核对

EGFR+NSCs的鉴定及纯度(流式分选,EGFR阳性率>90%) 外泌体分离与表征(超速离心、TEM、NTA、标志物) miR-34a-5p敲低(inhibitor转染)及HDAC6抑制(siRNA或SW-100) 体内实验动物分组及样本量(N=5/组) 水凝胶负载外泌体的浓度(10 mg/mL)及释放特性

摘要

脊髓损伤(SCI)导致严重的轴突损伤,通常导致永久性截瘫,目前仍缺乏有效的再生疗法。最近的研究表明,来源于神经干细胞(NSCs)的外泌体有望成为SCI治疗的有吸引力的候选。表皮生长因子受体阳性NSC(EGFR+NSC)是内源性NSCs的一个亚群,在中枢神经系统疾病中显示出强大的再生能力。在本研究中,我们从EGFR+NSCs中分离出外泌体(EGFR+NSCs-Exos),并发现局部递送EGFR+NSCs-Exos可有效促进脊髓损伤小鼠损伤部位的神经突再生,并改善其神经功能恢复。通过miRNA-seq,我们首次表征了EGFR+NSCs-Exos的microRNAs(miRNAs)货物,并鉴定出miR-34a-5p在EGFR+NSCs来源的外泌体中高度富集。我们进一步解释,外泌体miR-34a-5p可以被转移至神经元,并通过直接结合其mRNA抑制HDAC6表达,从而促进微管稳定和自噬诱导,以帮助SCI修复。总之,我们的研究证明了一种通过使用内源性NSCs亚群分泌的外泌体改善神经功能恢复的新型治疗方法,并为SCI修复提供了一种精确的无细胞治疗策略。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
EGFR+NSCs来源的外泌体是否及如何促进脊髓损伤后的神经再生和功能恢复?
核心机制
EGFR+NSCs-Exos通过递送miR-34a-5p直接抑制HDAC6表达,从而增强微管稳定性并激活自噬,促进神经突再生和功能恢复。
主要证据
体外原代神经元和微流控轴突再生实验显示EGFR+NSCs-Exos促进神经突生长;体内小鼠SCI模型中局部递送EGFR+NSCs-Exos改善BMS评分和运动诱发电位,减少损伤面积;miRNA-seq和qRT-PCR证实miR-34a-5p富集并在体内递送至神经元;荧光素酶报告实验证实miR-34a-5p靶向HDAC6 3'UTR;western blot和免疫荧光显示HDAC6下调、微管乙酰化/酪氨酸化比值增加、自噬相关蛋白变化。
研究意义
该研究提出了一种通过内源性NSCs亚群分泌的外泌体改善神经功能恢复的新方法,为SCI修复提供了一种精确的无细胞治疗策略。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

EGFR+NSCs的鉴定与分离

识别并获取具有强大再生潜力的NSCs亚群EGFR+NSCs。

从GEO数据库(GSE67833)获取小鼠SVZ单细胞转录组数据,通过Seurat分析鉴定出aNSCs(高表达EGFR)。利用流式分选从E14小鼠大脑皮层分离活的EGFR+NSCs(DAPI−CD45−Ter119−GLAST+CD133+EGFR+),并验证其干性标志物Nestin和Sox2表达。

2

外泌体的分离与表征

从EGFR+NSCs和原代NSCs培养上清中分离并验证外泌体。

通过差速离心/超速离心从细胞上清中提取外泌体,利用TEM观察形态,NTA分析粒径分布,Western blot检测外泌体标志物(CD9、CD63、TSG101)及阴性标志物Calnexin。

3

水凝胶制备与表征

制备可注射的水凝胶用于局部递送外泌体。

合成GelMA/HA-NB光固化水凝胶,通过SEM观察微观结构,评估降解率、溶胀率及生物相容性(CCK-8和HE染色)。

4

外泌体负载与释放测试

验证水凝胶能够持续释放外泌体。

将PKH67标记的外泌体负载入水凝胶,用共聚焦显微镜观察分布,并在体外测定释放曲线。

5

体外神经元摄取与神经突生长实验

检验EGFR+NSCs-Exos是否能被神经元摄取并促进神经突生长。

将PKH67标记的外泌体加入原代皮层神经元培养中,免疫荧光染色检测摄取;在CSPG抑制环境下,测定Tuj1阳性神经突长度;使用微流控培养板进行轴突再生实验。

6

体内递送与功能恢复评估

评估局部递送EGFR+NSCs-Exos对SCI小鼠功能恢复的影响。

在小鼠T10挫伤性SCI模型中,将负载外泌体的水凝胶贴片置于损伤部位,通过BMS评分、BMS子评分、运动诱发电位(MEPs)和H&E染色评估功能恢复和损伤面积。

7

miRNA测序及miR-34a-5p的鉴定

鉴定EGFR+NSCs-Exos中富集的miRNA。

提取外泌体总RNA进行miRNA测序,并通过qRT-PCR验证miR-34a-5p的高表达;检测神经元中miR-34a-5p的表达变化。

8

miR-34a-5p功能验证

验证miR-34a-5p在介导EGFR+NSCs-Exos促进神经再生中的作用。

使用miR-34a-5p mimic和inhibitor处理神经元,检测神经突生长;在体内通过miR-34a-5p抑制剂敲低外泌体中的miR-34a-5p(miR-34a-5pIN-Exos),评估其功能恢复和神经再生的影响。

9

靶基因鉴定与验证

确定miR-34a-5p的直接靶基因。

利用生物信息学工具(miRDB, microT)预测靶基因,qRT-PCR验证候选基因表达,并通过荧光素酶报告实验确认miR-34a-5p直接结合HDAC6 3'UTR。

10

机制验证:微管稳定和自噬

验证miR-34a-5p/HDAC6通路对微管稳定性和自噬的影响。

通过免疫荧光和Western blot检测乙酰化/酪氨酸化α-tubulin比值(A/T ratio),以及自噬相关蛋白(LC3A/B、Beclin1、P62)的表达;使用mRFP-GFP-LC3腺病毒和TEM观察自噬流。

11

HDAC6抑制剂(SW-100)回复实验

验证miR-34a-5p/HDAC6通路在体内的必要性。

在SCI小鼠中联合给予miR-34a-5pIN-Exos和SW-100(HDAC6抑制剂),评估功能恢复、神经再生和分子标志物。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Neurobasal-A培养基Gibco--
GlutaMAX添加剂Gibco--
不含维生素A的B27添加剂Gibco--
表皮生长因子Sigma--
碱性成纤维细胞生长因子Sigma--
Accutase消化液Invitrogen--
DMEM培养基HyClone--
L-谷氨酰胺Gibco--
青霉素-链霉素----
TRIzol试剂Invitrogen--
抗CD133-APC抗体Thermal--
抗Glast-PE抗体Miltenyi--
EGF-Alexa 647偶联物Thermal--
抗CD45-Alexa700抗体Thermal--
抗Ter119-PE/Cy7抗体Thermal--
Fc受体阻断液BD--
DAPI染色液BD--
FACS Aria II SORP流式分选仪BD Biosciences--
SND450培养板----
PKH67荧光染料Sigma--
DiR荧光染料----
Micro BCA蛋白检测试剂盒ThermoFisher--
甲基丙烯酰化明胶----
抗GAP43抗体CST--
抗神经丝抗体CST--
抗NeuN抗体Abcam--
抗HDAC6抗体proteintech--
抗乙酰化α-微管蛋白抗体sigma--
抗酪氨酸化α-微管蛋白抗体sigma--
抗LC3抗体proteintech--
抗Nestin抗体Abcam--
抗SOX2抗体Abcam--
抗β-Actin抗体Abcam--
抗CD63抗体Abcam--
抗TSG101抗体Abcam--
抗CD9抗体Abcam--
抗calnexin抗体Abcam--
RIPA裂解液Beyotime--
BCA蛋白定量试剂盒Multisciences--
PrimeScript RT试剂盒Promega--
miRNA第一链cDNA合成试剂盒Sangon Biotech--
GoTaq qPCR预混液Promega--
psi-check 2质粒----
HDAC6质粒Hanbio Biology--
miR-34a-5p模拟物Hanbio Biology--
miR-34a-5p阴性对照Hanbio Biology--
mRFP-GFP-LC3腺病毒Hanbio Biology--
生物素标记miR-34a-5p探针Sangon Biotech--
H&E染色试剂盒Solarbio--
免疫组化试剂盒Yeason--
共聚焦显微镜LSM780Zessis--
Xenogen IVIS成像系统Caliper Life Sciences--
Axio Imager one显微镜Zeiss--
Bl-420F生物信号采集系统----
Lipofectamine 3000转染试剂Hanbio--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
EGFR+NSCs分离与培养
E14小鼠大脑皮层解剖区域、流式分选抗体组合(CD133-APC, Glast-PE, EGF-Alexa 647, CD45-Alexa700, Ter119-PE/Cy7)、培养基成分及生长因子浓度(EGF 10ng/mL, bFGF 10ng/mL)、传代代数
阅读提示:Methods 1.5, 1.3
外泌体提取与鉴定
超速离心转速和时间(100000g, 2h)、外泌体标志物(CD9, CD63, TSG101)表达、阴性标志物Calnexin
阅读提示:Methods 1.6
水凝胶制备与外泌体负载
GelMA浓度(10% w/v)、HA-NB浓度(2.5% w/v)、LAP浓度(0.1% w/v)、光固化条件、外泌体负载浓度(10 mg/mL)
阅读提示:Methods 1.7, 1.8
体外神经突生长实验
原代神经元培养条件(neurobasal medium, 2% B27, 1% glutamine)、CSPG处理浓度、外泌体处理浓度(10 μg/mL)、培养时间(12h)
阅读提示:Methods 1.3, 1.12, Results 3.3
小鼠SCI模型及治疗
小鼠品系(C57BL/6)、损伤方式(T10挫伤,10g重量25mm高度)、分组及样本量(N=5)、水凝胶贴片放置位置、外泌体浓度(10 mg/mL)
阅读提示:Methods 1.14
miRNA敲低与功能验证
miR-34a-5p inhibitor浓度(100 nM)及转染试剂(Lipofectamine 3000)、敲低效率验证、下游检测(BMS, MEPs, GAP43/NF)
阅读提示:Methods 1.5, Results 3.5
靶基因验证
荧光素酶报告实验转染条件(HDAC6-WT/MUT, miR-34a-5p或NC)、检测时间(2天后)
阅读提示:Methods 1.18
自噬与微管稳定性检测
mRFP-GFP-LC3腺病毒转染、TEM固定条件、Western blot抗体浓度及孵育时间
阅读提示:Methods 1.19, 1.20