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目的:神经元的极化和生长伴随着诸多力学活动。神经生长因子(Nerve growth factor,NGF)能有效促进神经突起的生长。但是NGF如何通过调控胞内力学活动参与神经元极化和轴突生长少见报道。本课题采用荧光共振能量转移(Fluorescence resonance energy transfer,FRET)原理,构建了角度结构张力检测探针,量化细胞内骨架牵拉力,结合细胞内蛋白胶体和离子渗透压的定量检测,以期揭示神经细胞分化过程中,细胞骨架牵拉力以及胞内渗透压力对神经元极化及轴突生长的力学作用及其相关调控机制,继而阐明中药黄芪多糖通过调控胞内张力变化,改善神经元突起和轴突生长的药理机制。方法:NGF刺激神经元样PC12细胞,构建神经突起生长模型;并转染actin、tubulin、vimentin和GFAP四种细胞骨架荧光张力探针(AcpA、TcpT、VcpV、GcpG),通过FRET技术将细胞内骨架牵拉张力的变化转换为光学信号,测定不同刺激下细胞内多种骨架蛋白张力的变化趋势;采用冰点渗透压仪测定细胞质总渗透压,研究胞内渗透压对细胞极化的影响;激光粒度分析仪检测细胞质蛋白纳米颗粒的大小和数量,研究细胞内蛋白纳米颗粒渗透势能的变化;氯离子(MQAE)和钙离子荧光探针(Fluo-4AM)检测PC12细胞内氯和钙离子的浓度变化;微管相关蛋白(TAU蛋白)和微管相关蛋白2(MAP2蛋白)分别标记和识别原代大脑皮层神经元的轴突和树突,免疫荧光染色定位观察其生长情况。结果:1.NGF诱导的神经元突起生长模型,神经突起前端的微丝张力明显减弱,而中间纤维vimentin和GFAP的张力则显著增强,同时未检测到微管张力;2.NGF能上调神经突起微丝和vimentin的张力,上调胞质内10nm粒径的蛋白颗粒,并诱导细胞内渗透压升高;同时增加胞内氯和钙离子含量,且伴随原代神经元突起长度的增加;3.微丝稳定剂能导致vimentin的张力和渗透压显著降低,和胞质内生成100-1000nm粒径的纳米颗粒,降低胞内氯、钙离子含量和减少神经元突起长度;4.Slingshot抑制剂番泻叶苷A能减弱vimentin的张力和胞内渗透压,也降低氯、钙离子含量和缩短神经元突起的长度;5.LIMK抑制剂BMS-5能减弱vimentin张力和细胞质渗透压力,下调胞内氯和钙离子的含量和神经元突起长度;6.在细胞内液模拟液前提下,给予PC12细胞氯化钠以及葡萄糖酸钠刺激,vimentin张力随着氯化钠和葡萄糖酸钠的浓度增加而下降,在混合50mg/ml浓度的BSA后,vimentin张力的下降趋势被显著抑制,同时,随着胞外氯化钠和葡萄糖酸钠的浓度增加,溶液的渗透压也随之上升;7.黄苠多糖上调vimentin张力和胞内渗透压,同时促进神经细胞突起的生长。结论:本研究探讨了细胞骨架蛋白在神经元突起生长过程中NGF诱导的力学效应。Vimentin牵拉张力在PC12细胞突起前端增强,且受NGF诱导的微丝解聚生成的蛋白纳米颗粒渗透压调控。细胞内渗透压力同时调控vimentin张力和神经元突起的生长,中药黄芪的有效成分黄芪多糖可以通过对渗透压的调控参与神经细胞突起生长。本研究从细胞骨架牵拉张力的角度,探讨了神经细胞极化和突起生长过程中细胞的力学活动,为神经系统疾病治疗及其功能恢复提供了新的思路。