ACS Nano：Aβ42寡聚体与海马体神经元细胞作用机制

上海交通大学樊春海院士课题组、中国科学院重庆绿色智能技术研究院王化斌研究员课题组和重庆大学梁桂兆教授课题组合作，使用Bruker Dimension Edge原子力显微镜来定量研究海马神经元在暴露于Aβ42寡聚体（一种与神经退行性疾病相关的蛋白质聚合物）后的纳米力学性能，从生物力学的角度探讨神经元如何受到影响，并将其与神经元生物学特性进行关联，这对于研究神经退行性疾病相关的神经元功能障碍具有重要意义。相关成果以“Nanomechanical Profiling of Aβ42 Oligomer-Induced Biological Changes in Single Hippocampus Neurons”为题于2023年3月7日发表于ACS Nano上。

神经元的力学性能以及在神经元中发生的力学事件可以调节重要的神经功能和行为，如迁移、生长、分化、衰老、信号传导和神经可塑性。先前研究证明了Aβ42寡聚体的神经毒性，可以导致神经元功能障碍或死亡，从而与一些神经退行性疾病相关。但Aβ寡聚体与神经元相互作用中涉及的生物力学性能仍不清晰。在该研究中，研究者通过使用原子力显微镜获取的探针压入-离开单个海马体神经元细胞过程中的力曲线，结合神经元细胞的异质特性和粘弹性质，提出了一种荷载-卸载全力谱的纳米力学分析模型，即Heterogeneity-Loading−Unloading Nanomechanics（HLUM）模型。通过HLUN模型可以获取四个表观力学参数（杨氏模量、细胞弹性常数、归一化迟滞因子和黏附功）来综合表征Aβ42寡聚体处理前后海马神经元的力学特性。同时结合共聚焦荧光显微镜和膜片钳技术，将这四个力学参数与神经元高度、肌动蛋白丝强度和钙离子浓度变化相关联，从而从生物力学角度揭示神经元功能障碍的内在机制。

图1：该研究的主要研究思路和研究方法

图2C展示了HLUN模型获取四个表观力学参数的示意图：1）利用Herz模型拟合压入曲线的初始变形部分来获取杨氏模量E；2）利用胡克定律线性拟合压入曲线的最后一段来获取细胞弹性系数Kcell；3）归一化迟滞因子Ψ由面积区域A2/（A1+A2）获得，归一化迟滞因子Ψ越大代表细胞粘性越大；4）黏附功Aw由零力线和回撤曲线的负力部分围成的面积决定。研究者分别用0 μM（对照组）、5 μM和10 μM浓度的Aβ42寡聚体溶液处理海马体神经元细胞。研究者通过原子力显微镜获取力曲线和形貌，发现随着Aβ42寡聚体浓度增加，细胞的杨氏模量E和弹性系数K增大，而归一化迟滞因子Ψ和黏附功Aw降低（如图2D所示），同时海马体神经元的神经突的丢失（数量和长度）增多且神经元胞体的高度变高（如图3所示）。

图2：海马体神经元细胞纳米力学性质测量

图3：海马体神经元细胞AFM形貌分析

此外，研究者还通过免疫荧光染色技术利用共聚焦荧光显微镜确认了海马体神经元受Aβ42寡聚体处理后细胞骨架的改变，结果与原子力显微镜检测到的神经元形态变化高度一致，围绕神经元胞体的肌动蛋白丝密度增加。同时通过膜片钳技术发现随着Aβ42寡聚体浓度的增加，神经元内部的Ca2+浓度也增加。这也验证了Aβ42通过Ca2+依赖机制增加了海马体神经元中的肌动蛋白水平这一结论。

研究者将这些Aβ42寡聚体剂量依赖的改变进行了综合性的分析，随着Aβ42寡聚体浓度的增加：1）神经元胞体内Ca2+浓度增加，引发神经元胞体肌动蛋白强化，引起杨氏模量E增大；2）神经元胞体内Ca2+浓度增加，细胞内渗透压增加，引起细胞弹性系数kcell增大；3）神经元胞体内Ca2+浓度增加会抑制神经突起生长，引起神经突数量和长度的丢失；4）神经元归一化迟滞因子Ψ值下降，神经元在受到压缩时更容易恢复，并且在探针压入-离开循环期间耗散的能量较少，这与肌动蛋白纤维的增强和Kcell的升高相吻合；5）黏附功Aw降低，表明在浓度较高的Aβ42寡聚体处理下，神经元表面的生物分子丰富度降低，神经元在表面上粘附和扩展的能力降低。

综上，随着Aβ42寡聚体浓度的增加，海马体神经元的杨氏模量E、细胞弹性系数Kcell、肌动蛋白、胞体高度和胞体内Ca2+浓度增加，而归一化迟滞因子Ψ、黏附功Aw、细胞存活率和神经元表面生物分子的丰富度随Aβ42寡聚体浓度的增加而减少。同时，杨氏模量E与肌动蛋白强化和神经元表观高度呈正相关，但与神经元的存活率呈负相关。弹性系数Kcell与神经元的表观高度和Ca2+浓度呈正相关，但与神经元的存活率呈负相关。归一化迟滞因子Ψ与肌动蛋白强化、神经元表观高度和Ca2+浓度呈负相关，但与神经元的存活率呈正相关。黏附功Aw与神经元表观高度呈负相关，但与表面生物分子丰度和神经元的存活率呈正相关。纳米力学参数与生物学特性之间的相关性可以用图4来描述，。

图4：纳米力学参数与生物学特性之间的相关性。

该工作中所用到原子力显微镜为Bruker公司的Dimension Edge产品。，Dimension Edge的核心配件是Bruker著名的闭环扫描器。该扫描器采用温度补偿位置传感器，由模块化设计的低噪声控制电子器件驱动，可将探针扫描的闭环噪声级别降低至单个化学键长度的量级。同时具有低漂移、低噪音的特点，大大提高了数据获取速度和可靠性，使用这台仪器，几分钟时间即可获得高质量、可发表的专业数据。Dimension Edge大样品 AFM 功能和技术可为每个用户的多种应用环境提供选择。

原文链接：

https:// doi.org /10.1021/ acsnano.2c10861