濟南大學劉宏教授&王金剛教授團隊Nano Energy：超聲驅動間充質干細胞神經分化——壓電電子學效應的生物應用

引言

由老齡化、心腦血管疾病、創傷性腦損傷等引起的神經退行性疾病已成為世界性的社會問題。功能性神經元的缺失是神經功能障礙疾病的主要發病機制。然而有研究表明，人類成年后海馬體不再產生新的神經元細胞，這意味著不能使用內源性神經元細胞自體治愈神經退行性疾病或其他神經損傷等問題。因此獲得大量具有功能性的神經元細胞是治療神經功能障礙疾病的基礎。目前大多數研究人員利用電極或基于大型電信號發生裝置的外加電場誘導干細胞神經分化，但這些設備往往會造成機體感染、操作不便等一系列問題，并不適用于臨床使用。

成果簡介

濟南大學前沿交叉科學研究院(iAIR)劉宏教授、王金剛教授團隊設計了一種基于壓電電子學的超聲驅動電刺激信號——鐵離子協同作用誘導間充質干細胞神經分化的策略，利用靜電紡絲技術與水熱反應制備出具有優良壓電性的FeOOH/PVDF紡絲纖維膜。該策略利用FeOOH/PVDF紡絲纖維膜優異的壓電性，在沒有添加任何生長因子的前提下，使用外場超聲波信號引起FeOOH/PVDF紡絲纖維膜發生形變，進而使得FeOOH/PVDF紡絲纖維膜表面產生電刺激信號，同時利用超聲促進鐵離子的緩釋作用，有效的促進了干細胞腦源性神經營養因子（BDNF）的表達。利用電信號與鐵離子協同作用誘導間充質干細胞神經分化，不僅在基因與分子水平上證實了其轉分化的可能，并且通過鈣火花實驗證明，分化后的神經元細胞具有一定的功能。該成果以題為“Ultrasonic-Driven Electrical Signal-Iron Ion Synergistic Stimulation Based on Piezotronics Induced Neural Differentiation of Mesenchymal Stem Cells on FeOOH/PVDF Nanofibrous Hybrid Membrane”發表在Nano Energy上。

圖文導讀

圖1 基于超聲作用下的電信號——鐵離子協同作用誘導間充質干細胞神經元分化示意圖

圖2 ?相關材料表征以及CCK-8細胞增殖實驗。（a）PVDF的SEM圖；（b）FeOOH/PVDF的SEM圖；（c，d）FeOOH的TEM和HRTEM圖；（e）FeOOH的XRD圖；（f）FeOOH，PVDF和FeOOH/PVDF的XRD圖；（g）PVDF的壓電響應相位圖和振幅圖;（h）FeOOH/PVDF的壓電響應相位圖和振幅圖;（i）CCK-8細胞增殖實驗。

圖3 靜止和400 W超聲功率作用條件下， 2天和21天時不同材料上接種細胞的骨架染色圖，其中細胞骨架被染成紅色，細胞核被染成藍色。

圖4 分別在7、14、21天，對樣品上培養細胞的相關神經基因進行的q-PCR檢測: (a) Nestin; (b) Tuj1; (c) MAP2; (d) GFAP。所有數據均代表平均值±標準偏差(n = 3)。 0.01 <* p <0.05，** p <0.01。

圖5 （a）對樣品上培養細胞相應神經元特異性基因進行的q-PCR檢測，所有數據均代表平均值±標準偏差(n = 3)。 0.01 <* p <0.05，** p <0.01;（b）加入神經遞質前后FeOOH/PVDF壓電薄膜上培養的骨髓間充質干細胞分化后的神經元細胞結合鈣離子探針熒光強度的圖像。每個圖像的左下角表示神經遞質添加后的時間，單位為秒。(c) 神經遞質加入后細胞熒光強度分析。箭頭表示加入神經遞質的時間。（d）對樣品上培養細胞BDNF基因進行的q-PCR檢測，所有數據均代表平均值±標準偏差(n = 3)。 0.01 <* p <0.05，** p <0.01。

小結

綜上所述，以上研究結果證明了所提出的基于壓電電子學的超聲驅動電刺激信號——鐵離子協同作用誘導間充質干細胞神經分化的策略的可行性，這種基于超聲驅動的電信號裝置，可以有效的實現了細胞的轉分化，并使得分化后的細胞具有一定的功能。該研究開拓了壓電電子學在生物領域上的新應用，為修復神經損傷提供了一定的理論基礎與臨床模型。目前相關工作已發表在Nano Energy上。

文獻鏈接：Ultrasonic-Driven Electrical Signal-Iron Ion Synergistic Stimulation Based on Piezotronics Induced Neural Differentiation of Mesenchymal Stem Cells on FeOOH/PVDF Nanofibrous Hybrid Membrane. Nano Energy, 2021, 87, 106192, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106192

本文由劉宏教授課題組投稿。