Adv Sci︱柴人杰团队在耳蜗类器官功能性毛细胞再生方面取得重要进展

撰文︱张  重

责编︱方以一，王思珍

编辑︱杨彬薇

听觉上皮是由具有机械感觉能力的毛细胞（hair cells）和非感觉能力的支持细胞（supporting cells）组成的。毛细胞感知由声波或物理运动引起的机械振动并转化为生物信号，经过神经元传递到听觉皮层，产生听觉。耳蜗毛细胞的退化是感音神经性听力损失的主要诱因，成年人的耳蜗毛细胞一旦损失，无法再生[1]。据世界卫生组织报道（WHO），感音神经性听力损失已经成为全球最常见的健康问题之一，在老年群体中尤其严重[2]。因此，毛细胞再生的相关研究对治疗听力损失至关重要。

2022年9月18日，东南大学首席教授、东南大学附属中大医院双聘教授柴人杰团队在国际著名期刊Advanced Science上在线发表了题为“Ti3C2TxMXene Composite 3D Hydrogel Potentiates mTOR signaling to Promote the Generation of Functional Hair Cells in Cochlea Organoids”的研究论文。在本研究中，研究人员发现了促进耳蜗类器官（Cochlea-Orgs）毛细胞再生的新方法，揭示了MXene促进功能性毛细胞再生的新机制。

该团队前期研究发现MXene能够促进神经干细胞的分化，相关成果发表在Acta Biomaterialia[3]。在该研究中，研究人员通过MXene-Matrigel复合水凝胶（MXene-Matrigel）来研究MXene对耳蜗类器官发育和成熟的影响，尤其是MXene对耳蜗类器官毛细胞再生的影响，并试图揭示MXene促进干细胞分化的相关分子机制。

本研究中，分离新生小鼠的耳蜗干细胞通过体外三维培养形成耳蜗类器官。为了明确MXene对耳蜗类器官的毒性，通过CCK-8细胞活力实验，检测不同MXene浓度下的A450，发现100-250 μg/mL MXene浓度的 MXene-Matrigel复合水凝胶对耳蜗类器官具有良好生物相容性，能够维持耳蜗类器官较长时间的培养，而不产生明显的细胞毒性（图1）。此外，MXene还能调节Matrigel包括导电性、机械性能以及亲水性在内的多种特性，改变培养基质的理化特征。

图1 MXene具有良好的生物相容性

（图源：Zhang Z, et al., Adv Sci, 2022）

EdU染色结果显示一直到增殖培养的第7-10天，MXene-Matrigel复合水凝胶能够维持耳蜗类器官的增殖能力，也不影响类器官的形成率。q-PCR结果也表明MXene-Matrigel不显著改变耳蜗类器官干细胞标志基因的相对表达水平。经过进一步的分化培养后，耳蜗类器官的免疫荧光结果显示，MXene-Matrigel组类器官中Myo7a阳性毛细胞的比例显著增加（图2），表明MXene增强了耳蜗类器官再生毛细胞的能力。

图2 MXene-Matrigel促进耳蜗类器官毛细胞的再生

（图源：Zhang Z, et al., Adv Sci, 2022）

前期免疫荧光显示MXene-Matrigel组类器官再生毛细胞在形态上更加成熟，尤其是hair bundle表现出具有更强的组织性，该研究进一步通过q-PCR发现MXene-Matrigel组毛细胞分化和hair bundle相关的标志基因出现明显的上调，暗示了MXene不仅能够促进毛细胞的再生，还能促进毛细胞的成熟。通过膜片钳记录再生毛细胞的电生理特征，发现与Matrigel组再生的毛细胞相比，MXene-Matrigel组的再生毛细胞表现出更好的电生理特性，一些特征不亚于体内P2原位毛细胞（图3），证实了MXene能够促进再生毛细胞的成熟。

图3 MXene-Matrigel促进耳蜗类器官再生毛细胞的成熟

（图源：Zhang Z, et al., Adv Sci, 2022）

为了揭示MXene促进耳蜗类器官再生毛细胞的机制，研究人员通过组学方法，找出了上调最显著的一些信号通路，发现可能与mTOR等信号通路有关。目前mTOR信号通路通常被认为与自噬和细胞生长有关。进一步研究发现，与对照组相比，MXene组mTOR信号通路多种关键蛋白的表达水平更高。通过免疫印迹和免疫荧光，研究人员发现mTOR信号通路的激动剂MHY1485能够促进毛细胞再生；而mTOR信号通路的抑制剂Rapamycin会抑制毛细胞的再生（图4），证实了mTOR信号通路参与调控毛细胞的再生。

图4 MXene通过mTOR信号通路促进毛细胞的分化

（图源：Zhang Z, et al., Adv Sci, 2022）

神经支配在组织发育和再生中起到重要作用，但是目前大多数类器官的培养缺乏神经元支配[4]。由于MXene不仅促进神经干细胞的分化和神经元的成熟，还能促进毛细胞的分化和成熟，该研究还开发了耳蜗类器官和蜗轴神经元的共培养体系，应用MXene-Matrigel促进了再生毛细胞与螺旋神经节神经元（SGNs）建立神经支配，以及提高突触的形成效率（图5）。

图5 MXene-Matrigel促进神经元重支配和突触重建

（图源：Zhang Z, et al., Adv Sci, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望综上所述，该研究旨在促进耳蜗毛细胞的再生，从而为听力损失的治疗和听力的保护提供进一步的实验和理论依据。本文通过MXene促进了功能性耳蜗毛细胞的再生和成熟度，并揭示了MXene通过mTOR信号通路促进分化的分子机制。该研究克服了传统类器官培养系统的一些局限性，为调控类器官的发育和成熟提供了新的思路和方法，拓展了纳米材料在类器官培养领域的应用，发现了mTOR信号通路在干细胞分化过程中的重要作用，大大促进了耳蜗类器官发育、成熟和毛细胞再生方面的研究。此外，本文还构建了耳蜗类器官和听神经元的共培养体系，成功促进了神经元支配和突触的形成，为耳蜗类器官的研究拓展了新的方向。期待未来耳蜗类器官的相关研究能够取得更大的进展，为临床治疗听力损失做出贡献，同时也呼吁人们养成良好的生活习惯保护听力。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202203557

柴人杰教授为本论文独立通讯作者。柴人杰教授课题组博士生张重为该论文的第一作者，博士生高珊和胡杨楠为该论文的共同第一作者。本研究得到了中国科学院“器官重建与制造”A类战略性先导科技专项、国家重点研发计划干细胞及转化研究重点专项、国家自然科学基金面上项目等的资助。

通迅作者: 柴人杰，共同第一作者: 张重、高珊、胡杨楠

（照片提供自：柴人杰团队）

作者简介（上下滑动阅读） 

柴人杰，东南大学博士生导师，教育部长江学者特聘教授、国家重点研发计划首席科学家、东南大学生命健康高等研究院执行院长，附属中大医院双聘教授。现任中国生物物理学会听觉、言语与交流分会副会长；中国生理学会干细胞与神经分会秘书长，常务理事等。主要研究方向为神经元和内耳听觉毛细胞的再生和保护，相关工作发表在Cell，Advanced Materials，Nature communications，PNAS，Sciences Advances，Advanced Science等有国际影响力的学术期刊上，近5年发表SCI论文70余篇。

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参考文献（上下滑动阅读） 

1. A. I. Farbman, Olfactory neurogenesis: genetic or environmental controls? Trends in neurosciences. 13 (9), 362-365 (1990).

2. W. H Organization., World report on hearing (2021).

3.R. Guo, M. Xiao, W. Zhao, S. Zhou, Y. Hu, M. Liao, S. Wang, X. Yang, R Chai, M. Tang, 2D Ti3C2TxMXene couples electrical stimulation to promote proliferation and neural differentiation of neural stem cells. Acta Biomater. 139, 105-117 (2022).

4. S. M. Knox, I. Lombaert, X. Reed, L. Vitale-Cross, J. Gutkind, M. Hoffman, Parasympathetic innervation maintains epithelial progenitor cells during salivary organogenesis. Science. 329 (5999), 1645-1647 (2010).

本文完