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研究生: 何星樺
Ho, Hsing Hua
論文名稱: 發展ㄧ個研究中樞神經細胞軸突的細胞培養裝置
Development of compartmentalized device for studying physiology of central axons
指導教授: 張兗君
Chang,Yen Chung
口試委員: 周韻家
林玉俊
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 生命科學暨醫學院 - 系統神經科學研究所
Institute of Systems Neuroscience
論文出版年: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 44
中文關鍵詞: 軸突
外文關鍵詞: axon
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  • 摘要
    神經元(neuron)為高度特化的細胞,除了細胞本體(soma、cell body),還有神經次細胞結構樹突(dendrites)及軸突(axon)。軸突在神經系統中扮演重要角色,軸突為細長結構的神經纖維(process),從細胞本體延伸至目標細胞,進行訊息的傳遞。目前因缺乏相關研究,導致對於中樞神經系統軸突其受損及再生的機制並尚未了解。因此,本論文發展一個裝置,可將大鼠(SD rats)的海馬迴神經細胞 (hippocampal cells)進行體外培養 (in vitro)。本裝置利用雙層膜的構造來進行細胞本體及軸突的分離,第一層膜為孔徑1 μm PCTE (polycarbonate) 膜,第二層膜為具數千孔洞(孔洞直徑大小為150μm)且厚度約為500μm的 PDMS (polydimethylsiloxane)膜。將神經細胞養在coating PLL(poly-L-lysine)的PCTE膜上,因細胞本體的直徑約為10 μm,因此會被侷限在PCTE膜上,只有神經纖維(樹突及軸突)可以穿過PCTE膜往PDMS膜生長。PDMS膜除了coating PLL (poly-L-lysine)之外,另有ECM (Extracellular matrix)及laminin充滿孔洞,誘導神經纖維往PDMS膜生長。成熟的神經細胞其樹突只能長達300 μm,軸突可生長超過500 μm,利用厚度約500 μm的PDMS膜,因此只有軸突可長至PDMS膜的下方,藉此區分樹突及軸突。此裝置可利用螢光染色的方法觀察活體軸突的生長及收集單純的軸突,亦可將神經細胞與軸突培養在兩個不同的環境中進行研究,可應用於軸突與其他細胞的共同培養(co-culture)或是藥物試驗的實驗,將有助於未來研究軸突與目標細胞的突觸形成過程或是軸突的生長及再生的分子機制。


    Abstract
    A typical neuron consists of a cell body (soma), dendrites, and an axon. Axon is a long process extending from soma of a neuron and plays important roles in establishing the neuron-target connection and signal transmission. On the other hand, due to their limited capability of regeneration, injury to the axons of central neurons frequently leads to incurable neural disorders, such as spinal injury. Here, we have developed a compartmentalized device by using a composite membrane consisting of a PCTE (polycarbonate) and PDMS (polydimethylsiloxane) membrane and various protein components. The PCTE membrane is ~8 µm in thickness and contains pores of an average diameter of 1μm. Placed underneath the PCTE membrane is a layer of PDMS of 500 μm in thickness and contains holes of 100 µm in diameter that open to the two surfaces. The PCTE membrane is coated with poly-L-lysine, the the holes of PDMS membrane are filled with ECM (Extracellular matrix) plus laminin. This composite membrane is placed between two chambers. Cells dissociated from rat embryonic hippocampi are then plated onto the PCTE membrane. After ~ 2 weeks in vitro, the cell bodies and glial cells remain on the surface of PCTE membrane, and only axons can penetrate through the composite membrane to the opposite side. The advantages of this device include (1) the diffusion of small molecules across this composite membrane is limited, (2) the axons on the PDMS side of the composite membrane could be observed continuously under microscopy, and (3) a second population of cells can be grown on the PDMS membrane surface. This device could be used for the high-throughput screening for drugs affecting (1) synaptogensis, (2) axonal growth and (3) axon regeneration. This device could also be used to study the molecular basis of synaptogenesis, synaptic regulation and trafficking in axons.

    目錄 摘要 i Abstract ii 壹、 緒論 1 一、 研究背景 1 二、 研究動機及目的 1 三、 文獻回顧 2 (一) 微系統製程簡介 2 (二) 目前體外培養的神經細胞裝置 2 (三) 細胞外基質(Extracellular matrix;ECM) 3 貳、 實驗材料與方法 5 一、 實驗材料 5 (一) 老鼠育種 5 (二) 細胞培養 5 (三) 裝置的製作 5 (四) 免疫螢光染色法 6 (五) 裝置液體隔離效能測試 7 (六) 蛋白質的純化、SDS-PAGE與銀染 7 (七) 觀察神經細胞軸突及生長錐的生長 7 (八) 神經細胞與HEK293細胞共同培養(co-culture) 7 二、 實驗方法 7 (一) 裝置的製造及組裝 (Ⅰ) 7 (二) 裝置的製造與組裝 (Ⅱ) 8 (三) PDMS夾板的製作 9 (四) PDMS框架的製作 9 (五) PDMS夾板與PDMS框架的清洗 9 (六) 具厚度的PDMS膜之模仁 (mold)製作 10 (七) 具厚度的PDMS膜的製作與清洗 11 (八) 大鼠解剖 (Dissection) 11 (九) 神經細胞的培養 12 (十) 利用免疫螢光染色法觀察神經細胞的生長情況 12 (十一) 擷取免疫螢光染色圖片 13 (十二) 裝置液體隔離效能測試 13 (十三) 神經細胞軸突的蛋白收集與分析 14 (十四) 凝膠電泳分析 (SDS-PAGE) 14 (十五) 銀染色法 (Silver Staining) 15 (十六) 觀察活體神經細胞的軸突 15 (十七) 神經細胞的共同培養(Co-culture) 16 (十八) 神經細胞與HEK293 cell的共同培養(Co-culture) 16 參、 結果 17 一、 裝置的設計 17 (一) 裝置的組成元件 17 (二) 裝置設計及原理介紹 17 二、 裝置的研究 18 (一) 有孔洞且厚度PDMS膜的製作 18 (二) 神經細胞培養的條件 18 (三) 利用裝置培養神經細胞 18 (四) 裝置的液體隔離效能測試 19 三、 裝置的應用 20 (一) 收集神經細胞軸突蛋白的收集與分析 20 (二) 觀察神經細胞軸突的活體影像觀察 20 (三) 神經細胞軸突的生長錐 21 (四) 神經細胞的共同培養 21 (五) 神經細胞與HEK293細胞的共同培養 22 肆、 討論 23 一、 裝置的設計改良 23 二、 製作PDMS膜的模仁 23 三、 裝置的應用 24 (一) 收集神經細胞軸突蛋白的收集與分析 24 (二) 觀察神經細胞軸突的活體影像觀察 24 (三) 神經細胞的共同培養 24 伍、 結語 26 陸、 圖集 27 圖一、 複合膜 (composite membrane) 構造剖面示意圖 27 圖二、 裝置製作流程圖 (Ⅰ) 28 圖三、 裝置示意圖 (Ⅰ) 29 圖四、 裝置實際外觀 (Ⅰ) 30 圖五、 裝置製作流程圖 (Ⅱ) 31 圖六、 裝置示意圖(Ⅱ) 32 圖七、 裝置實際外觀(Ⅱ) 33 圖八、 裝置的模仁與PDMS膜的實際外觀。 34 圖九、 裝置於不同區域的免疫螢光染色圖。 35 圖十、 裝置於不同區域的免疫螢光染色圖。 36 圖十一、 裝置的液體隔離效能測試。 37 圖十二、 裝置上所收集的神經細胞與軸突其蛋白質分析。 38 圖十三、 在裝置上海馬迴神經細胞的軸突活體影像觀察。 39 圖十四、 在裝置上的軸突生長錐的免疫染色。 39 圖十五、 在裝置共同培養海馬迴神經細胞。 40 圖十六、 在裝置共同培養海馬迴神經細胞及HEK細胞。 41 柒、 附錄 42 捌、 參考資料 43

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