近日，昆明理工大学季维智团队张润瑞/张磊课题组揭示水凝胶模拟大脑海马力学微环境调控神经干细胞衰老，为脑衰老机制解析提供新视角。

神经干细胞（Neural Stem Cells, NSCs）是维持海马神经发生的重要细胞群体，与学习记忆等脑功能密切相关。随着年龄增长，其增殖和神经元生成能力逐渐下降，导致神经发生减少，被认为是脑衰老的重要特征之一。因此，阐明神经干细胞衰老的调控机制，对于理解脑衰老及开发神经再生治疗策略具有重要意义。近年来，越来越多研究表明，干细胞所处的“微环境”（Niche）在调控干细胞命运中发挥关键作用。除了传统的生化信号外，细胞外基质的力学性质，如组织硬度，也被认为是影响干细胞行为的重要因素。然而，在脑衰老过程中，神经干细胞微环境的力学变化及其对神经干细胞功能的影响仍缺乏系统研究。

图1. 水凝胶模拟海马力学微环境揭示神经干细胞衰老机制

针对这一问题，昆明理工大学灵长类转化医学研究院季维智团队张润瑞课题组首先利用Pavone纳米压痕技术系统测量了不同年龄小鼠海马齿状回神经发生区（SGZ）的组织力学性质，发现随着年龄增长，神经干细胞增殖能力和神经发生水平逐渐下降的同时，海马组织硬度也显著升高。为模拟这一力学变化，张润瑞课题组与张磊课题组合作构建了具有不同硬度的透明质酸层黏连蛋白水凝胶（HA-Laminin hydrogel），其力学性质与不同年龄海马组织高度匹配。实验进一步发现，神经干细胞能够感知基质硬度变化，并通过 YAP1 的核转位对机械信号作出响应，证明该水凝胶体系能够有效模拟海马神经干细胞的力学微环境变化。

图2. HA-Laminin水凝胶模拟不同年龄阶段的海马组织神经干细胞微环境硬度

研究进一步利用不同硬度水凝胶培养不同年龄来源的神经干细胞，发现柔软基质显著促进神经干细胞增殖并增强神经元分化能力，而较硬的基质则抑制细胞增殖并促进向星形胶质细胞分化。特别是，当年轻神经干细胞置于模拟“衰老环境”的高硬度基质时，其增殖能力明显下降；而将老年神经干细胞置于模拟“年轻环境”的低硬度基质中，则可部分恢复其增殖和神经元分化能力，提示微环境力学特性是调控神经干细胞潜能的重要因素。

图3. 模拟不同年龄微环境硬度的水凝胶重塑神经干细胞增殖与分化潜能

为了进一步验证微环境硬度对神经干细胞衰老的影响，研究系统检测了多种经典衰老标志物。结果发现，在模拟衰老微环境的高硬度水凝胶中培养的神经干细胞表现出明显的衰老特征，包括 Lamin B1 表达下降、SA-β-gal 染色增强，以及 p16 和 p21 等衰老相关基因表达升高。这些结果表明，海马微环境刚度的增加能够促进神经干细胞进入衰老状态。

图4. 模拟衰老海马微环境硬度的水凝胶诱导神经干细胞衰老表型

通过 RNA-seq 分析，研究团队比较了不同年龄神经干细胞以及在不同硬度基质中培养的细胞转录组变化。结果发现，微环境硬度变化能够重塑神经干细胞的基因表达谱，并与自然衰老过程中出现的转录变化高度一致。具体表现为细胞周期相关基因显著下调，而细胞黏附及 细胞外基质（ECM）相关基因上调。这一结果表明，组织硬度通过调控细胞周期和细胞黏附相关信号通路参与调节神经干细胞衰老过程。

图5. 转录组分析揭示组织硬度通过调控细胞周期和黏附基因调节神经干细胞衰老

研究进一步发现，机械敏感离子通道 Piezo1 在衰老神经干细胞和高硬度环境中显著上调。药物激活 Piezo1 会进一步抑制神经干细胞增殖，而通过 shRNA 敲低 Piezo1 则能够恢复高硬度环境中神经干细胞的增殖能力，并逆转部分细胞周期与 ECM 基因表达变化。这表明 Piezo1 是介导微环境机械信号与神经干细胞衰老调控的重要机械感受器。

图6. Piezo1介导海马神经干细胞感受微环境硬度变化从而调节细胞增殖

为了探索这一机制在不同物种中的保守性和特异性，研究团队还在恒河猴神经干细胞中进行了研究。结果表明，灵长类神经干细胞同样对基质硬度变化高度敏感：高硬度环境抑制细胞增殖并促进星形胶质分化，而柔软环境可部分恢复年老猴神经细胞的增殖，分化功能则难以恢复。同时，Piezo1、细胞周期和细胞黏附相关基因的表达变化也与小鼠结果高度一致，说明海马微环境硬度调控神经干细胞衰老的机制在哺乳动物中具有进化保守性，但也存在细微差异。

图7. 海马微环境硬度调控神经干细胞衰老现象在灵长类中具有保守性

该研究揭示了脑内力学微环境是调控神经干细胞衰老的重要因素。在此基础上，研究进一步提出，通过干预细胞的机械感知信号通路，或利用特定硬度的生物材料重建年轻化的微环境，可为实现神经干细胞功能的“年轻化”提供新策略。这为深入理解脑衰老的机制，以及开发针对神经退行性疾病与脑损伤修复的新型疗法，奠定了重要的理论基础。

本研究主要由昆明理工大学灵长类转化医学研究院季维智团队张润瑞和张磊课题组以及云南大学生命科学学院付文祥课题组合作完成，博士研究生郭璐瑶和讲师葛龙娇承担主要研究工作，李勇等多名研究生和清华大学成芮弘老师为参与作者。中国科学院动物所黄仕强老师、顾奇老师、云南大学刘拥军老师为研究提供了帮助；昆明理工大学灵长类转化医学研究院仪器设备平台和动物中心、清华大学工程力学系和云南大学分析测试中心，以及东地（北京）科技为研究提供了支持。

本研究得到国家重点研发计划“脑科学与类脑研究”重大项目青年项目、国家自然科学基金以及云南省科技计划等项目的支持。

（供稿：灵长类转化医学研究院）