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EC-Exo对缺血性中风小鼠血脑屏障完整性的作用及机制研究

申报人:董肖扬 申报日期:2025-03-15

基本情况

2025创新项目
EC-Exo对缺血性中风小鼠血脑屏障完整性的作用及机制研究 学生申报
创新训练项目
医学
药学类
学生来源于教师科研项目选题
二年期
缺血性中风(ischaemic stroke, IS)是发病率高致死率高的病种,rtPA是首选的溶栓药,但是,在发病4.5小时后使用rtPA,其病理进程中血脑屏障的破坏引发脑血管性水肿和出血,加剧脑损伤并阻碍神经功能恢复,是尚未解决的临床问题。内皮细胞与周细胞的动态交互是维持血脑屏障完整性的核心,而外泌体(exosome, Exo)作为细胞间通讯的关键媒介,可能通过传递生物活性分子调控血管修复。为了阐明内皮细胞外泌体对IS小鼠血脑屏障的作用及关键药效环节,本研究在细胞水平考察ECs对周细胞迁移及屏障完整性影响,并通过加入外泌体抑制剂抑制外泌体的分泌来考察内皮细胞发挥作用是否与调控内皮细胞外泌体的分泌有关;在动物水平通过研究内皮细胞外泌对IS小鼠血管结构及血脑屏障完整性的影响,并对其调控机制进行研究,明确内皮细胞外泌体促进缺血性中风小鼠血管成熟稳定及增强血管屏障完整性作用机制,为开发新型治疗策略提供理论依据。
负责人在本科一年级开始便跟随导师参与科研工作,期间系统学习了药理学相关的理论知识,并在课余时间阅读了大量科研文献。在过去一年的科研活动中,负责人熟练掌握了小鼠造模、灌胃、尾静脉注射、取材相关操作,学会了超速离心机、组织冰冻切片、免疫荧光染色、显微观察操作。此外,负责人还掌握包括小动物活体成像仪、旋转蒸发仪、液相色谱仪、气相色谱仪等实验仪器设备操作。基于在实验室的实验经验和知识积累,在导师的指导下负责人成功撰写了关于EC-Exo对缺血性中风小鼠血脑屏障完整性的作用及机制研究课题。
指导老师在项目发展的重要节点给予团队成员指导与帮助,提出多条建议及整改意见;同时对项目中涉及的实验方案的制定、实验方法的操作以及申报书的撰写等给予详细指导,并指导团队成员进行结果整理与成果转化。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
董肖扬 药学院 药学(本科) 2023 文献调研,设计实验流程,实验开展,结果整理,文章发表,项目结题
陈瑞 药学院 药学(本科) 2023 文献调研,设计实验流程,实验开展,数据统计,结果整理
袁晓晴 药学院 药学(本科) 2024 文献调研,数据统计,结果整理
冯佩 药学院 中药学(本科) 2024 文献调研,实验开展,数据统计

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
孙锦 药学院

立项依据

缺血性脑卒中(ischaemic stroke, IS)是导致血脑屏障破坏的主要原因之一,而血脑屏障的破坏加重了脑组织的损伤。内皮细胞作为血脑屏障的主要组成部分,其功能和结构的完整性对维持血脑屏障至关重要。外泌体(exosome, Exo)是细胞外囊泡的一种,可通过血脑屏障,研究表明内皮细胞(Endothelial cells, ECs)外泌体介导的细胞间通讯在脑缺血的病理生理过程中发挥有益作用,具有潜在的治疗价值。周细胞位于血管基底膜内侧,紧密包裹着毛细血管和微血管的血管内皮,这两种细胞类型之间的相互作用对卒中后血管新生及血管完整性的调节至关重要。研究内皮细胞外泌体(Endothelial cellsexosome, EC-Exo)对周细胞的作用及其对缺血性中风小鼠血脑屏障(Blood brain barrier, BBB)完整性的作用及机制,有助于明确内皮细胞源外泌体在细胞间通讯和作为药效物质传递媒介对血脑屏障完整性的作用,深入理解内皮细胞源外泌体在缺血性中风中的病理生理机制,并为开发新的治疗策略提供重要的理论依据。
1.超速离心法分离内皮细胞外泌体EC-Exo并对其进行鉴定
a.体外培养脑微血管内皮细胞bEnd.3,收集细胞培养上清液;b.差速超速离心法分离细胞培养基外泌体;c.透射电子显微镜Transmission electron microscope, TEM观察外泌体结构,并通过动态光散射技术Dynamic light scattering, DLS进行粒径分析和蛋白免疫印迹技术Western blot, WB对外泌体标记性蛋白TSG101CD9CD63进行鉴定。获取符合标准、可供后续研究的EC-Exo。
2.研究内皮细胞对OGD/R周细胞迁移及屏障完整性影响,并通过加入外泌体抑制剂抑制外泌体的分泌来考察内皮细胞发挥作用是否与调控内皮细胞外泌体的分泌有关
a.建立体外bEnd.3MBVP共培养细胞模型;b.通过Transwell实验与划痕实验考察内皮细胞对周细胞迁移能力的影响;c.通过结晶紫染色、细胞跨膜电阻transepithelial electrical resistance,TEER和表观渗透系数apparent permeability coefficient,Papp考察其对体外内皮细胞-周细胞共培养体系周细胞解离及屏障结构完整性的影响;并通过在共培养体系中加入外泌体抑制剂(GW4869),考察内皮细胞发挥作用是否与调控内皮细胞外泌体的分泌有关。
3.研究EC-ExoMCAO/R小鼠血管结构及血脑屏障BBB完整性的影响,并对其调控机制进行研究
a.利用线栓法复制MCAO/R小鼠模型,将小鼠随机分为假手术组(Sham)、模型组Model)、EC-Exo60 μg/只),术后2 h给药,每两天给药一次,连续给药7次;b.对各组小鼠脑组织进行研究,采用伊文思蓝透过实验、免疫球蛋白Immunoglobulin G,IgG渗漏实验、PDGFRβ/CD31免疫荧光(双)染色Immunofluorescence, IF等考察EC-Exo对血管屏障完整性及血管周细胞覆盖率的影响;c.通过IFWB对基底膜蛋白、紧密连接蛋白等影响BBB完整性相关蛋白进行研究,并对其调控机制进行研究。
4. 统计分析
实验结果采用SPSS 23.0软件进行数据分析。统计结果以均值±标准差(Mean ± SD)表示,组间比较采用单因素方差分析one-way ANOVA。进行方差齐性检验,方差齐采用LSD检验法,方差不齐采用Dunnetts T3检验法。P<0.05为具有统计学意义。
卒中为全球第三大死亡原因[1],分为缺血性卒中和出血性卒中,其中缺血性卒中约占65.3%[2]。缺血性卒中又被称之为脑梗死,是由于动脉血管壁病变,血液成分改变,形成血栓,阻塞脑的供血动脉,脑供血不足(缺血缺氧)所致的局部脑组织的缺血性坏死或软化,而出现相应的神经系统功能缺损。
静脉阿替普酶溶栓和机械血栓切除术是目前急性缺血性卒中的标准治疗方案,它可以移除阻塞物并恢复脑部受影响区域的血液流动,已被证明在应用于适当的患者时可以改善中风的预后[3]。多数学者认为在超早期(起病6 h内)进行溶栓治疗可能是急性脑梗死治疗最有希望的方法,然而由于治疗时间窗限制、诊疗网络的缺乏及不良反应,具备指征患者的阿替普酶溶栓率仅为18.3%[4]。且急性血管再通,会导致再灌注损伤,因缺血缺氧引起的神经损伤进一步加重。越来越多的证据表明,缺血往往涉及一系列神经事件,如缺氧、氧化应激和炎症反应[5],最终导致缺血脑的急性坏死、凋亡和自噬[6]。在后期促进脑功能恢复的有效药物缺乏,成为恢复期治疗的瓶颈。
BBB在结构上由内皮细胞、周细胞、基膜、星形胶质细胞末端、连接紧密连接和间隙连接以及细胞外基质成分形成。BBB动态介导脑和外周血之间的物质交换和细胞串扰,并维持脑微环境稳态。功能失调的内皮细胞可导致脑血管功能障碍,改变血脑屏障完整性,并干扰神经-神经胶质-血管单位的细胞-细胞相互作用,从而对邻近的脑组织造成损害。缺血性卒中后,内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞的功能障碍、紧密连接和基底膜的破坏导致BBB通透性增加,增强血管屏障完整性恢复缺血性中风后受影响脑组织的氧气和营养供应,才能改善卒中患者的预后[7]。周细胞是缺血性卒中后微血管完整性和修复的关键细胞,它们与毛细血管内皮细胞密切接触,这使它们能够调节血流并稳定血管结构[8]。卒中后,梗死周围区域新生血管由于内皮细胞中缺少紧密连接(Tight junction, TJ)和粘附连接(adherens junctions, AJ)而具有异常高的血脑屏障通透性[9]。基底膜(basement membrane, BM)也是血管屏障的重要部分,基底膜结构被破坏,周细胞与基底膜解离,并远离脑微血管内皮细胞,从而造成血管内皮细胞胞间连接疏松,加剧血管屏障通透性[10]。因此,促进血管新生以及新生血管中TJ、AJ的形成,增加微血管周细胞覆盖,增强血管屏障的完整性,将为改善卒中康复提供一种有前途和更安全的治疗策略。
内皮细胞与周细胞通过物理接触或旁分泌信号进行细胞通讯,在调节血管新生和稳定新生血管中发挥重要作用[11]。内皮细胞分泌的PDGF-BB,是周细胞募集和固位到新生血管最有效的调节因子[12],可促进周细胞迁移到发育中的血管壁。同时周细胞可以通过调节PDGFRβ、VEGF、Ang1等信号途径,调控内皮细胞的增殖、迁移和分化,稳定毛细血管。PDGF-PDGFRβ信号不正常是目前发现的导致功能性血脑屏障维持缺陷的少数通路之一,这种内皮细胞-周细胞分子通信的中断会导致周细胞的渐进性丢失、血脑屏障高通透性以及血管生成障碍[13],这些研究表明PDGF-PDGFRβ信号对于周细胞维持血管屏障的完整性与稳定性具有重要意义[14]
外泌体是细胞外囊泡的一种,它通过向受体细胞传递其所携带的蛋白质、脂质及核酸(包括DNARNA)等物质来介导细胞间信号通讯[15]。近年来,越来越多的研究发现外泌体在脑血管疾病治疗方面发挥着重要作用。血管内皮细胞是血管生成的重要效应细胞,更多的研究是将内皮细胞作为靶细胞来评价各种干细胞及其他细胞来源的外泌体或血浆来源的外泌体促进血管新生的作用,对内皮细胞产生的外泌体研究较少。为了阐明EC-Exo对缺血性中风小鼠血脑屏障的作用及关键药效环节,本研究对各组小鼠脑组织进行研究,采用伊文思蓝渗漏、IgG渗漏实验、PDGFRβ/CD31免疫荧光双染等考察EC-Exo对血管屏障通透性及血管周细胞覆盖率的影响;通过IFWB对基底膜蛋白、紧密连接蛋白和粘附连接蛋白等影响BBB相关蛋白进行验证,明确EC-Exo促进缺血性中风小鼠血管成熟稳定及增强BBB完整性作用机制和关键药效环节。
参考文献
[1]Samantha, Anderer,Stroke Deaths and Burden Increased Around the World From 1990 to 2021.[J] .JAMA, 2024, 332(18):1509.
[2]Global, regional, and national burden of stroke and its risk factors, 1990-2021: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2021.[J] .Lancet Neurol, 2024,403(10440):2133-2161.
[3]Virani Salim S,Alonso Alvaro,Aparicio Hugo J et al. Heart Disease and Stroke Statistics-2021 Update: A Report From the American Heart Association.[J] .Circulation, 2021, 143: e254-e743.
[4]Li Z,JiangY, Li H et al.China's response to the rising stroke burden.[J] .BMJ, 2019, 364: l879.
[5]Wufuer A,Wubuli A,Mijiti P et al. Impact of collateral circulation status on favorable outcomes in thrombolysis treatment: A systematic review and meta-analysis.[J] .Exp Ther Med, 2018, 15: 707-718.
[6]Fanou E M,Knight J,Aviv R I et al. Effect of Collaterals on Clinical Presentation, Baseline Imaging, Complications, and Outcome in Acute Stroke.[J] .AJNR Am J Neuroradiol, 2015, 36: 2285-91.
[7]Yang Yi, Torbey Michel T, Angiogenesis and Blood-Brain Barrier Permeability in Vascular Remodeling after Stroke.[J] .Curr Neuropharmacol, 2020, 18: 1250-1265.
[8]Wufuer A,Wubuli A,Mijiti P et al. Impact of collateral circulation status on favorable outcomes in thrombolysis treatment: A systematic review and meta-analysis.[J] .Exp Ther Med, 2018, 15: 707-718.
[9]Willis Colin L,Leach Lopa,Clarke Garry J et al. Reversible disruption of tight junction complexes in the rat blood-brain barrier, following transitory focal astrocyte loss.[J] .Glia, 2004, 48: 1-13.
[10]Liu Shuo,Agalliu Dritan,Yu Chuanhui et al. The role of pericytes in blood-brain barrier function and stroke.[J] .Curr Pharm Des, 2012, 18: 3653-62.
[11]Zhu Sipin et al. Endothelial cells produce angiocrine factors to regulate bone and cartilage via versatile mechanisms.[J]. Theranostics, 2020, 10(13) : 5957-5965.
[12]ayne Laura B,Zhao Huaning,James Carissa C et al. The pericyte microenvironment during vascular development.[J] .Microcirculation, 2019, 26: e12554.
[13]Yang Yi,Torbey Michel T,Angiogenesis and Blood-Brain Barrier Permeability in Vascular Remodeling after Stroke.[J] .Curr Neuropharmacol, 2020, 18: 1250-1265.
[14]苏晗,唐国华.PDGF/PDGFRβ信号通路耦合成骨成血管作用的研究进展[J].口腔医学研究,2022,38(02):113-115.
[15]Pegtel D Michiel,Gould Stephen J,Exosomes.[J] .Annu Rev Biochem, 2019, 88: 487-514.
本研究以血管内皮细胞外泌体为研究对象,通过细胞实验和动物实验考察EC-Exo对血管屏障通透性及血管周细胞覆盖率的影响以及对基底膜蛋白、紧密连接蛋白和粘附连接蛋白等影响血管屏障相关蛋白的作用,明确EC-Exo促进缺血性中风小鼠血管成熟稳定及增强血管屏障完整性作用机制和关键药效环节。明确内皮细胞源外泌体在细胞间通讯和作为药效物质传递媒介。 
1.技术路线

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图1.项目技术路线图

2.拟解决的问题
①通过EC-ExoOGD/R周细胞迁移及屏障完整性影响,明确其发挥作用是否与调控内皮细胞外泌体的分泌有关;
②明确EC-Exo 对小鼠 MCAO/R 模型血脑屏障通透性的影响;阐明其对血脑屏障保护和调控机制,探讨其作用靶点。
3.预期成果
①证实内皮细胞源外泌体在细胞间通讯和作为药效物质传递媒介对血脑屏障完整性的作用;阐明EC-Exo促进缺血性中风小鼠血管成熟稳定及增强血管屏障完整性作用机制和关键药效环节,为改善卒中康复提供一种有前途和更安全的治疗策略提供理论参考。
②形成研究报告1篇,发表相关论文1篇。
2025.4-2025.9:根据研究内容明确详细的研究方案;准备细胞实验及超速离心实验相关材料;体外培养脑微血管内皮细胞,对细胞外泌体进行分离、鉴定。
2025.10-2025.12:实验方案的完善,建立细胞共培养模型;研究内皮细胞对OGD/R周细胞迁移及屏障完整性影响,并考察内皮细胞发挥作用与EC-Exo分泌的关系。
2026.1-2026.9:建立线栓法MCAO/R小鼠模型。对EC-Exo促进缺血性中风小鼠血管成熟稳定及增强BBB完整性作用机制进行评价,观察各组小鼠一般情况,组织水平采用免疫学检验技术和分子生物学方法探究EC-Exo小鼠血管成熟稳定及BBB完整性作用,进行相关指标检测。进一步补充完善实验,总结分析所有实验数据。
2026.10—2027.2:总结研究成果,准备论文发表,完成结题报告。

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图1.EC-Exo保护小鼠原代神经元细胞免受缺氧/复氧损伤。(A)鉴定 MAP2 原代神经元的纯度。(B)原代神经元 OGD/R 模型和外泌体对神经元OGD/R细胞活力的影响。(C)MAP2标记的神经元(绿色)EC-Exo的摄取。(D)TUNEL染色。(E)原代神经元 OGD/R 损伤后MAP2染色。

在前期我们发现在体外原代神经元细胞可以摄取内皮细胞外泌体(EC-Exo),EC-Exo能促进原代神经元突触蛋白表达和抑制OGD损伤原代神经元凋亡。(已发表)
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图2.EC-Exo 减少脑梗死体积并改善 MCAO/R 小鼠的病理形态。(A)动物实验设计。(B)荧光标记的外泌体脑内示踪。(C)脑组织结晶紫染色。(D)脑组织HE染色。
EC-Exo在体内可到达脑部发挥作用,减轻MCAO/R小鼠脑梗死面积,改善小鼠脑组织病理损伤。(已发表)
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图3.EC-Exo 促进MCAO/R后脑血流的恢复。(A)MCAO术前、术后、再灌注后、7天和14天脑血流灌注。(B)脑血流rCBF变化
EC-Exo促进MCAO/R小鼠脑血流恢复。(已发表)
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图4.EC-Exo可减轻MCAO/R小鼠神经元凋亡。(A)脑冰冻切片大脑皮层TUNEL染色。(B-C)细胞凋亡相关蛋白表达的统计结果。
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图5.EC-Exo促进中风后突触重塑。脑冰冻切片中(A)MAP2(B)PSD95(C)SYN(D) NeuN 的免疫荧光染色。(E)MAP2、PSD95、SYNNeuN免疫荧光染色的平均荧光密度统计。(F)大脑皮层中MAP2、PSD95、SYN、NeuN蛋白表达和蛋白表达的统计结果。
EC-Exo促进MCAO/R小鼠脑内神经元突触蛋白表达,并抑制细胞凋亡。(已发表)

①.已具备的条件:项目前期在老师的指导下,深入学习了缺血性中风的病因、临床表现、国内外研究进展等理论知识。通过指导教师的指点,项目组成员已经对实验方案所涉及的实验仪器、实验试剂及耗材等有了详细的了解。同时,掌握了线栓法MCAO/R小鼠模型的造模方法。实验室仪器完备,拥有细胞房及SPF级动物房,能够保证各项实验的顺利开展。
②.尚缺少的条件:目前对于部分实验方法的操作原理、操作步骤等还存在一定的盲区;对于实验方案的具体细节还有待于进一步的完善细化。
③.解决方法:通过查阅文献等方法,学习各实验方法的原理、操作步骤及具体注意事项;通过阅读文献、毕业论文等,对各部分研究内容的实验方案进行进一步完善。

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 5000.00 2000.00 3000.00
1. 业务费 3000.00 500.00 2500.00
(1)计算、分析、测试费 0.00 0.00 0.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 0.00 0.00 0.00
(4)文献检索费 500.00 500.00 0.00
(5)论文出版费 2500.00 0.00 2500.00
2. 仪器设备购置费 0.00 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 1000.00 1000.00 0.00
4. 材料费 1000.00 500.00 500.00
结束