組織工程中使用電刺激調(diào)節(jié)細(xì)胞行為 - 上

再生醫(yī)學(xué)和組織工程結(jié)合醫(yī)學(xué)、細(xì)胞和分子生物學(xué)、材料科學(xué)和生物工程等方面，以再生、修復(fù)或替代組織或器官為目。三個(gè)關(guān)鍵因素包括種子細(xì)胞、支架和刺激因子。

組織工程支架可以將特定的細(xì)胞運(yùn)送到受損部位，并作為提供刺激的介質(zhì)，類似于天然組織的組成。支架模擬自然組織的力學(xué)特性和所需的生物學(xué)特性，以確保體內(nèi)支持，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的最佳擴(kuò)散，并促進(jìn)細(xì)胞通訊。種子細(xì)胞包括非干細(xì)胞和干細(xì)胞。非干細(xì)胞包括：雪旺細(xì)胞(SCs)、成骨細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞(ECs)；干細(xì)胞可分為兩種類型：(1)成體干細(xì)胞：脂肪源性干細(xì)胞和肌肉源性干細(xì)胞；(2)非成體干細(xì)胞：胚胎干細(xì)胞(ESCs)、神經(jīng)干細(xì)胞(NSCs)和骨間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)。

干細(xì)胞具有強(qiáng)大的自我更新和多系分化潛能。將細(xì)胞種子支架植入患者體內(nèi)，然后細(xì)胞將產(chǎn)生新的組織。組織或器官的快速和再生是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問題，因?yàn)橐浦驳募?xì)胞很容易在宿主組織中丟失，存活率很低。此外，如果有缺陷的細(xì)胞遷移到傷口部位會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的情況。供體部位細(xì)胞功能的喪失和不可控的分化是干細(xì)胞移植在再生醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的限制。因此，它們需要在體外和體內(nèi)操縱細(xì)胞行為，包括細(xì)胞增殖、遷移、分化和其他細(xì)胞過(guò)程。支架材料的選擇、支架的表面形貌以及其他刺激因素都可以操縱細(xì)胞的行為。

研究已經(jīng)證明，生物化學(xué)和生物物理線索都可以影響細(xì)胞行為。不同形式的刺激因子可誘導(dǎo)細(xì)胞增殖、分化，完成組織修復(fù)，不適當(dāng)?shù)拇碳ひ蜃涌蓪?dǎo)致細(xì)胞死亡或無(wú)作用。因此，選擇合適的刺激因子可以提升修復(fù)效果。

生化線索包括提供化學(xué)試劑和對(duì)支架進(jìn)行化學(xué)表面修飾。一方面，添加生長(zhǎng)因子、表面固定化生物信號(hào)、細(xì)胞因子和小分子藥物會(huì)立即被血液稀釋或被生物體代謝。另一方面，化學(xué)試劑的表面固定方法也不完善，硅烷化或共沉淀等方法復(fù)雜且效率低，需要更多的表面處理來(lái)提高連接效率，增加沉積速率。生物物理線索包括表面形貌、基底剛度、壓縮和拉伸、電場(chǎng)或磁場(chǎng)、超聲刺激和光刺激。生物物理線索具有成本效益高、壽命長(zhǎng)、易表征、重現(xiàn)性高等優(yōu)點(diǎn)，便于大規(guī)模操作。

電刺激(electrical stimulation, ES)作為一種生物物理提示，在臨床上已被證明能有效緩解疼痛，促進(jìn)血液循環(huán)，降低血管和骨骼肌張力，促進(jìn)水腫和關(guān)節(jié)液的重吸收。

許多研究表明，胚胎干細(xì)胞可以有效地操縱細(xì)胞在體內(nèi)和體外的行為。在人體內(nèi)，每個(gè)細(xì)胞受到某種形式的刺激后，局部的生物電信號(hào)會(huì)影響到各種組織中的細(xì)胞。ES觸發(fā)細(xì)胞自身通過(guò)內(nèi)在途徑傳遞信號(hào)，從而導(dǎo)致直接的細(xì)胞活動(dòng)，包括遷移、分化和增殖。

提供電刺激的材料

金屬生物材料包括鉑(Pt)，而金因其高機(jī)械強(qiáng)度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)電性和生物相容性而越來(lái)越多地用于醫(yī)療應(yīng)用。然而除貴金屬外，大多數(shù)金屬材料易氧化，耐腐蝕性較弱，金屬離子的釋放也可能引起過(guò)敏或致癌。金屬材料的表面改性被認(rèn)為是解決上述問題的有效方法，包括制備涂層和生物活性分子的共價(jià)化學(xué)偶聯(lián)。

導(dǎo)電聚合物被研究為可能的候選者。雖然導(dǎo)電聚合物在長(zhǎng)期刺激下的裂縫或分層限制了電極性能，但與特定劑交聯(lián)或共軛聚合物的原位聚合提高了物理穩(wěn)定性，同時(shí)允許探索其*性能。石墨烯、碳納米管和碳?xì)饽z等碳材料具有優(yōu)異的電性能和易于生物功能化的能力，以及藥物負(fù)載。沉積和固定石墨烯可以避免由于直接接觸相互作用和包裹機(jī)制對(duì)細(xì)胞的損傷。直接暴露在體內(nèi)的碳納米管有很高的脫離可能性。通過(guò)加強(qiáng)生物相容性軟聚合物基質(zhì)內(nèi)的碳納米管模式，可以克服上述問題。

電刺激的方法及參數(shù)

傳遞ES的方法主要有三種：直接耦合、電容耦合和利用電磁場(chǎng)。

直接耦合：電極直接插入培養(yǎng)基并附著在支架上以傳遞ES。該方法操作簡(jiǎn)便，應(yīng)用最為廣泛。然而缺點(diǎn)也很明顯，如電極的生物相容性不足，與介質(zhì)接觸導(dǎo)致溫度升高，pH值變化以及產(chǎn)生有害副產(chǎn)物。

電容耦合的生物安全性更高：兩個(gè)電極放置在相對(duì)的兩端，為植入在電極之間的支架上的細(xì)胞提供均勻的電場(chǎng)。該系統(tǒng)是非侵入性的，不需要導(dǎo)電支架來(lái)提供均勻的ES。

電感耦合通常使用由放置在細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)周圍的導(dǎo)電線圈產(chǎn)生的可控電磁場(chǎng)，稱為脈沖電磁場(chǎng)刺激(PEMF)。刺激通過(guò)脈沖傳遞，模擬人體的自然電位傳遞。PEMF在目標(biāo)細(xì)胞附近提供電位，而不是直接向細(xì)胞施加ES。PEMF處理的主要缺點(diǎn)是耗時(shí)和資源消耗。

ES的不同參數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)細(xì)胞行為有相當(dāng)大的影響。ES可以提供單相和雙相的波形形式，其中波形有脈沖、正弦、正方形、三角形和鋸齒形。使用間歇或連續(xù)刺激是另一個(gè)參數(shù)。根據(jù)刺激參數(shù)設(shè)置，單相刺激可以有效地極化目標(biāo)組織，但由于金屬電極表面的法拉第反應(yīng)，單相刺激可能通過(guò)氧化還原過(guò)程產(chǎn)生活性氧。特別是在長(zhǎng)時(shí)間和/或高頻率的大電流脈沖的情況下，焦耳熱效應(yīng)可能導(dǎo)致細(xì)胞損傷。然而，由于法拉第影響小而引起的局部離子或電化學(xué)不平衡對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響也不容忽視。

雙相刺激可能更有利，因?yàn)樗梢苑乐闺姾煞e累，在電極處產(chǎn)生較低水平的電解產(chǎn)物，超出了單相刺激的限制，并且可以在更長(zhǎng)的時(shí)間和更高的電壓下應(yīng)用。例如，在臨床應(yīng)用中通常選擇雙相刺激來(lái)刺激神經(jīng)組織，因?yàn)殡p相刺激較少電荷積累和有毒副產(chǎn)物，并且不太可能引起神經(jīng)元損失。單相刺激可用于短期實(shí)驗(yàn)，但長(zhǎng)期應(yīng)用需要雙相刺激。不適當(dāng)?shù)拇碳?shù)可能導(dǎo)致與實(shí)驗(yàn)預(yù)期相反的結(jié)果。

在刺激頻率方面，低于1 kHz的ES頻率通過(guò)顯著影響細(xì)胞周期，增加細(xì)胞比例和DNA合成來(lái)促進(jìn)細(xì)胞增殖。高于100 V/cm的高強(qiáng)度可引起細(xì)胞膜電穿孔，細(xì)胞內(nèi)Ca2+和活性氧立即增加，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。當(dāng)高強(qiáng)度不可避免時(shí)，應(yīng)采用脈沖電刺激，避免持續(xù)的高強(qiáng)度，以減少損傷。