細胞外微小環境の剛性を使用した海馬ニューロンにおける神経誘発の調節

中枢神経系（CNS）におけるニューロンの機械感受性は、ニューロンの発達を理解し、準拠した材料をニューロンと外部デバイス間の神経インターフェースとして設計することに関して、CNS損傷および障害を治療するための興味深い問題です。細胞体からの神経突起開始は、発達または再生中に機能的な神経ネットワークを形成するための最初のステップであることが知られていますが、細胞外微小環境の機械的特性が神経誘発にどのように影響するかについてはあまり知られていません。ここでは、神経誘発の重要な要因であるニューロンの糸状アクチン（F-アクチン）細胞骨格構造を調査し、剛性制御された基質を備えたゲル基質上で、基質の剛性と神経誘発性の関係を明らかにしました。in vivo脳の剛性よりも高い弾性弾性率を持つゲル基板上で、神経誘発性が有意に抑制されることがわかりました。F-アクチンの細胞骨格構造の蛍光画像は、F-アクチン組織が基質剛性に依存していることを示しました。柔らかい基板とは異なり、硬いゲル基板上の細胞体の端に、円周方向のアクチンメッシュワークとアークが形成されました。F-アクチンサイト骨格形成の抑制により、神経誘発が改善されました。結果は、ニューロンのF-アクチンサイト骨格の組織が周囲の環境の機械的特性によって強く調節されており、機械的に誘導されるF-アクチンサイト骨格が神経誘発を調節することを示しています。

The mechanosensitivity of neurons in the central nervous system (CNS) is an interesting issue as regards understanding neuronal development and designing compliant materials as neural interfaces between neurons and external devices for treating CNS injuries and disorders. Although neurite initiation from a cell body is known to be the first step towards forming a functional nervous network during development or regeneration, less is known about how the mechanical properties of the extracellular microenvironment affect neuritogenesis. Here, we investigated the filamentous actin (F-actin) cytoskeletal structures of neurons, which are a key factor in neuritogenesis, on gel substrates with a stiffness-controlled substrate, to reveal the relationship between substrate stiffness and neuritogenesis. We found that neuritogenesis was significantly suppressed on a gel substrate with an elastic modulus higher than the stiffness of in vivo brain. Fluorescent images of the F-actin cytoskeletal structures showed that the F-actin organization depended on the substrate stiffness. Circumferential actin meshworks and arcs were formed at the edge of the cell body on the stiff gel substrates unlike with soft substrates. The suppression of F-actin cytoskeleton formation improved neuritogenesis. The results indicate that the organization of neuronal F-actin cytoskeletons is strongly regulated by the mechanical properties of the surrounding environment, and the mechanically-induced F-actin cytoskeletons regulate neuritogenesis.