蘇州納米所程國(guó)勝團(tuán)隊(duì)在無(wú)線電刺激響應(yīng)型神經(jīng)支架方面取得進(jìn)展
神經(jīng)退行性疾病是當(dāng)前醫(yī)學(xué)難題和挑戰(zhàn)之一，其主要特點(diǎn)是神經(jīng)元退化或死亡，導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙，進(jìn)而影響運(yùn)動(dòng)和記憶能力。干細(xì)胞治療為神經(jīng)退行性疾病的治療提供了有效途徑，通過(guò)誘導(dǎo)干細(xì)胞分化為神經(jīng)元，修復(fù)或替代受損缺失的神經(jīng)元，可促進(jìn)缺失功能的恢復(fù)。
細(xì)胞電活動(dòng)在早期神經(jīng)元發(fā)育和遷移以及干細(xì)胞增殖和分化過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，通過(guò)電刺激可調(diào)節(jié)干細(xì)胞的分化，能夠實(shí)現(xiàn)神經(jīng)突起的定向生長(zhǎng)。因此，利用導(dǎo)電支架材料有利于誘導(dǎo)干細(xì)胞分化成神經(jīng)元并提高其分化效率，并有助于移植細(xì)胞與宿主神經(jīng)系統(tǒng)的連接。在眾多的導(dǎo)電支架材料中，石墨烯材料以其優(yōu)異的導(dǎo)電性和生物相容性、獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)獲得了廣泛關(guān)注。
中科院蘇州納米所程國(guó)勝團(tuán)隊(duì)近年來(lái)一直致力于開(kāi)發(fā)導(dǎo)電神經(jīng)支架材料，模擬體內(nèi)微環(huán)境的復(fù)雜性，構(gòu)建神經(jīng)干細(xì)胞的生長(zhǎng)微環(huán)境。團(tuán)隊(duì)結(jié)合微納加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了石墨烯支架材料的精確可控制備，并對(duì)支架維度、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、尺寸等因素對(duì)干細(xì)胞分化行為的影響進(jìn)行了深入研究，取得了系統(tǒng)性研究成果。（Biomaterials, 2013，34, 6402；Biomaterials, 2014, 35, 6930；Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 6165；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 25069 & 34227；Adv. Mater., 2018, 30, 1806132；Carbon, 2019, 145, 90；Small 2020, 16, 1906273；Nano letters 2020, 20, 7043）
現(xiàn)有的導(dǎo)電支架體系中，大多數(shù)電刺激需要外接導(dǎo)線，且外接導(dǎo)線與支架連接可能需要導(dǎo)電性液體例如銀漿的使用，因此，外接導(dǎo)線和導(dǎo)線輔助材料會(huì)對(duì)移植應(yīng)用造成感染和行動(dòng)不便的隱患。
針對(duì)上述問(wèn)題，程國(guó)勝研究團(tuán)隊(duì)將石墨烯支架設(shè)計(jì)為圓環(huán)形，形成閉合環(huán)路，利用電磁感應(yīng)原理，對(duì)導(dǎo)電線圈通交流電后，石墨烯圓環(huán)由于磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生感應(yīng)電流在環(huán)路內(nèi)可產(chǎn)生感應(yīng)電流，達(dá)到無(wú)線電刺激調(diào)控干細(xì)胞行為的目的（圖1）。利用化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯線圈，對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行系統(tǒng)表征（圖2），優(yōu)化外部線圈電流與頻率，篩選出對(duì)大鼠存活無(wú)影響的電刺激條件，進(jìn)一步，通過(guò)無(wú)線電刺激促進(jìn)了神經(jīng)干細(xì)胞分化為神經(jīng)元的效率（圖3）。既發(fā)揮石墨烯材料促進(jìn)神經(jīng)突起延長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，又結(jié)合了無(wú)線電刺激對(duì)神經(jīng)突起生長(zhǎng)的促進(jìn)作用，降低移植損傷，為無(wú)線電刺激響應(yīng)型支架材料調(diào)控細(xì)胞行為提供了新策略。
圖1. 無(wú)線電刺激誘導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞分化為神經(jīng)元的示意圖
圖2. 環(huán)形石墨烯的（a）照片、（b）元素分析結(jié)果、（c）拉曼光譜圖、（d）TEM圖、（e）電子衍射圖以及（f）在正弦交流信號(hào)下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)結(jié)果
圖3 神經(jīng)干細(xì)胞在環(huán)形石墨烯支架上分化7天后相關(guān)標(biāo)記蛋白的表達(dá)情況
該研究成果以“Strategy for Designing a Cell Scaffold to Enable Wireless Electrical Stimulation for Enhanced Neuronal Differentiation of Stem Cells”為題發(fā)表在Adv. Healthcare Mater. 2021,10,2100027上。論文第一作者為中科院蘇州納米所碩士生韓芳，通訊作者為程國(guó)勝研究員和郝瑩副研究員，該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省區(qū)域聯(lián)合基金以及江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
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