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作者及发表信息
本研究由Xiaorong Pan（上海科技大学）、Jie Li（上海科技大学）、Wei Li（昆士兰大学）、Haofei Wang（昆士兰大学）等共同完成，通讯作者为Tong Wang（上海科技大学）和Chun-Xia Zhao（阿德莱德大学）。论文标题为《Axons-on-a-chip for mimicking non-disruptive diffuse axonal injury underlying traumatic brain injury》，发表于Lab on a Chip期刊（2022年10月20日接收，DOI: 10.1039/d2lc00730d）。
学术背景
研究领域：创伤性脑损伤（TBI, Traumatic Brain Injury）的微观机制研究，聚焦于弥漫性轴索损伤（DAI, Diffuse Axonal Injury）的体外模拟。
研究动机：DAI是TBI最严重的病理特征，但传统医学影像技术因时空分辨率不足，无法捕捉机械冲击诱导的瞬时轴突损伤机制。现有体外模型（如轴向拉伸或轴突切断）无法模拟临床常见的多方向力（如横向压缩力）作用。
研究目标：开发一种“芯片上的轴突”（AOC, Axon-on-a-Chip）微流控模型，通过计算流体动力学（CFD, Computational Fluid Dynamics）精确控制横向机械应力，实时监测DAI的即时细胞响应。
研究流程
1. AOC设备设计与验证
- 设备结构：采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制作微流控芯片，包含中央损伤腔（1000 μm宽）和两侧胞体腔，通过80条微通道（5 μm高×12 μm宽）连接，限制胞体迁移仅允许轴突通过。
- CFD模拟：通过ANSYS软件模拟流体应力分布，验证流速（50–1000 μL/min）与轴突表面法向应力的线性关系（200 μL/min对应1.822 Pa，1000 μL/min对应9.1316 Pa）。
- 实验验证：将大鼠海马神经元接种于胞体腔，培养至轴突延伸至中央腔后，注入不同流速培养基，观察轴突损伤形态（如轴突切断或肿胀）。
2. 轴突损伤模型建立
- 高流速（1000 μL/min）：导致93.75%轴突表面脱离并切断（axotomy），剩余6.25%轴突部分附着。
- 低流速（200 μL/min）：诱导非破坏性DAI，形成持续性局灶性轴突肿胀（FAS, Focal Axonal Swellings），且胞体未受影响。
- 极低流速（50 μL/min）：仅引发可逆性轴突珠状膨大（beading），3分钟内消失。
3. 即时细胞响应监测
- 钙成像：转染GCaMP6f钙传感器，发现FAS形成伴随轴突内钙离子（[Ca²⁺]axon）瞬时激增（200 μL/min流速下[Ca²⁺]axon升高3.2倍）。
- 超分辨显微镜（SIM）：使用SiR-actin标记膜相关周期性骨架（MPS, Membrane-associated Periodic Skeleton），发现机械应力导致MPS周期性结构快速破坏（损伤后数分钟内）。
4. 损伤标志物分析
- 免疫荧光：低流速组轴突的SCG10（轴突再生标记物）表达显著降低，cleaved caspase-3（凋亡标记物）表达升高，证实DAI诱导轴突退化。
主要结果
- 流速-损伤相关性：CFD模拟与实验数据一致，证明AOC可通过调节流速精确控制损伤程度（如200 μL/min诱导DAI，1000 μL/min诱导轴突切断）。
- FAS的动态形成：FAS在机械应力施加后立即出现，其直径膨胀与[Ca²⁺]axon激增呈正相关（Pearson系数0.934），且持续存在预示不可逆损伤。
- 早期骨架破坏：MPS结构在损伤后数分钟内解离，早于传统认知的次级损伤时间窗（2–12小时），提示原发性损伤的快速骨架重构机制。
结论与价值
科学意义：
- 首次建立横向力诱导DAI的体外模型，填补了多方向机械应力研究的空白。
- 揭示FAS和[Ca²⁺]axon激增是DAI的早期标志，为TBI的即时干预提供新靶点。
应用价值：
- AOC兼容高分辨率显微技术（如SIM、钙成像），可作为药物筛选平台，用于测试缓解TBI的潜在疗法。
研究亮点
- 创新模型：结合CFD与微流控技术，实现机械应力的定量控制与实时观测。
- 新发现：挑战了“FAS仅出现在次级损伤阶段”的传统观点，证明其与原发性损伤同步发生。
- 技术突破：开发自动化FAS检测算法（ImageJ宏），实现动态形态变化的客观量化。
其他价值
- 研究数据公开（DOI: 10.1039/d2lc00730d），支持后续方法学拓展。
- 设备设计支持双腔并行实验，可同时测试两种神经元类型或药物条件，提升实验通量。
（报告总字数：约1500字）