組織工程中使用電刺激調(diào)節(jié)細(xì)胞行為 - 下

通過(guò)參與組織形成、組織再生和傷口愈合，定向細(xì)胞遷移和排列對(duì)再生醫(yī)學(xué)非常有益。調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移和排列的能力將是再生醫(yī)學(xué)的寶貴資產(chǎn)。細(xì)胞排列和遷移的機(jī)制被認(rèn)為是造成這些影響的原因，包括電壓門控離子通道、g蛋白偶聯(lián)受體、整合素、細(xì)胞極化和內(nèi)源性電場(chǎng)。ES作為物理方法因其可以激活陰極或陽(yáng)極附近細(xì)胞的特定信號(hào)通路，誘導(dǎo)細(xì)胞遷移和排列而備受關(guān)注。

電刺激對(duì)細(xì)胞排列的影響

許多方法都能夠通過(guò)外部因素誘導(dǎo)細(xì)胞遷移和排列，例如添加生物活性因子，提供單獨(dú)的表面模式，研究表明物理方法比所有其他技術(shù)更能引導(dǎo)細(xì)胞遷移和排列。ES對(duì)細(xì)胞排列有顯著的影響，它會(huì)使隨機(jī)細(xì)胞重新排列，隨著ES方向的改變，細(xì)胞排列的方向也會(huì)逐漸改變。有些類型的細(xì)胞垂直于電場(chǎng)矢量的方向排列，以最小化整個(gè)細(xì)胞的電場(chǎng)梯度。ES強(qiáng)度通常<10 V/cm，隨著ES強(qiáng)度的增加，細(xì)胞排列更好，但細(xì)胞活性相對(duì)降低。在100 mA單相ES存在時(shí)，成骨細(xì)胞的伸長(zhǎng)和增殖主要依賴于ES，而地形特征起次要作用。

電刺激對(duì)細(xì)胞遷移的影響

細(xì)胞響應(yīng)于ES的定向遷移被稱為電趨向性。ES對(duì)細(xì)胞遷移的引導(dǎo)作用也因細(xì)胞類型的不同而不同。ES極性的逆轉(zhuǎn)逆轉(zhuǎn)了細(xì)胞的遷移方向。ES強(qiáng)度可以刺激細(xì)胞從最小的0.1 V/cm遷移到最大的12 V/cm，并且不會(huì)對(duì)細(xì)胞造成任何明顯的損傷，不影響細(xì)胞表型或分化潛能。同時(shí)，隨著ES強(qiáng)度的增加，細(xì)胞的遷移速度和距離逐漸增加。

ES對(duì)細(xì)胞遷移的作用機(jī)制

導(dǎo)致電趨向性的具體機(jī)制尚不清楚。內(nèi)源性微環(huán)境、離子通道、膜受體、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以及相互競(jìng)爭(zhēng)的信號(hào)通路可能涉及多種因素。除了信號(hào)通路外，電壓門控Ca2+通道等離子通道也是ES過(guò)程中膜極化和細(xì)胞響應(yīng)的重要組成部分。所有活細(xì)胞都有跨膜電位。電流通過(guò)離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體誘導(dǎo)離子(Na+、Cl?、K+、Ca2+等)的流動(dòng)。

作為對(duì)ES的響應(yīng)，細(xì)胞內(nèi)分子和運(yùn)輸通道發(fā)生極化，然后離子流發(fā)生并觸發(fā)細(xì)胞骨架變化，從而指導(dǎo)細(xì)胞遷移，因此，鈣內(nèi)流有助于細(xì)胞持續(xù)向陰極遷移。

電刺激對(duì)細(xì)胞增殖的影響

適當(dāng)?shù)腅S可以促進(jìn)細(xì)胞增殖，通常在<1 V/cm的持續(xù)刺激下。在ES強(qiáng)度范圍內(nèi)，細(xì)胞增殖率隨強(qiáng)度增加而增加。>100 V/cm的高強(qiáng)度ES也有利于細(xì)胞在短時(shí)間內(nèi)(< 1 ms)的單次刺激中增殖，但過(guò)高的強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

電刺激對(duì)細(xì)胞分化的影響

基于細(xì)胞分化的治療為再生醫(yī)學(xué)提供了一條很有前途的途徑。短期(幾分鐘)、低強(qiáng)度(0.06~6 V/cm)ES可促進(jìn)人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞、肌肉前體細(xì)胞的心臟分化，形成胚狀體。

在大多數(shù)情況下，ES促進(jìn)細(xì)胞增殖和分化，增強(qiáng)細(xì)胞陰極遷移和向場(chǎng)載體的對(duì)齊，主要通過(guò)EGFR、PI3K和Ca2+相關(guān)機(jī)制。ES可以通過(guò)金屬生物材料、導(dǎo)電聚合物或碳材料制成的組織工程支架來(lái)傳遞，主要方法有直接耦合、電容耦合和利用電磁場(chǎng)。在未來(lái)，特定材料/結(jié)構(gòu)和ES的結(jié)合將比其他類型的刺激提供許多優(yōu)勢(shì)，并允許精確的細(xì)胞調(diào)節(jié)。開(kāi)發(fā)安全有效的隔板式支架與ES結(jié)合，能夠區(qū)分不同區(qū)域進(jìn)行不同刺激，仍然需要克服一些挑戰(zhàn)。