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組織工程中使用電刺激調節細胞行為 - 上

更新時間:2024-02-06      點擊次數:218

再生醫學和組織工程結合醫學、細胞和分子生物學、材料科學和生物工程等方面,以再生、修復或替代組織或器官為目。三個關鍵因素包括種子細胞、支架和刺激因子。

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

干細胞具有強大的自我更新和多系分化潛能。將細胞種子支架植入患者體內,然后細胞將產生新的組織。組織或器官的快速和再生是一個非常具有挑戰性的問題,因為移植的細胞很容易在宿主組織中丟失,存活率很低。此外,如果有缺陷的細胞遷移到傷口部位會導致更嚴重的情況。供體部位細胞功能的喪失和不可控的分化是干細胞移植在再生醫學中應用的限制。因此,它們需要在體外和體內操縱細胞行為,包括細胞增殖、遷移、分化和其他細胞過程。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胞的行為。

研究已經證明,生物化學和生物物理線索都可以影響細胞行為。不同形式的刺激因子可誘導細胞增殖、分化,完成組織修復,不適當的刺激因子可導致細胞死亡或無作用。因此,選擇合適的刺激因子可以提升修復效果。

生化線索包括提供化學試劑和對支架進行化學表面修飾。一方面,添加生長因子、表面固定化生物信號、細胞因子和小分子藥物會立即被血液稀釋或被生物體代謝。另一方面,化學試劑的表面固定方法也不完善,硅烷化或共沉淀等方法復雜且效率低,需要更多的表面處理來提高連接效率,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、電場或磁場、超聲刺激和光刺激。生物物理線索具有成本效益高、壽命長、易表征、重現性高等優點,便于大規模操作。

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,促進血液循環,降低血管和骨骼肌張力,促進水腫和關節液的重吸收。

許多研究表明,胚胎干細胞可以有效地操縱細胞在體內和體外的行為。在人體內,每個細胞受到某種形式的刺激后,局部的生物電信號會影響到各種組織中的細胞。ES觸發細胞自身通過內在途徑傳遞信號,從而導致直接的細胞活動,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),而金因其高機械強度、長期穩定性、良好的導電性和生物相容性而越來越多地用于醫療應用。然而除貴金屬外,大多數金屬材料易氧化,耐腐蝕性較弱,金屬離子的釋放也可能引起過敏或致癌。金屬材料的表面改性被認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化學偶聯。

導電聚合物被研究為可能的候選者。雖然導電聚合物在長期刺激下的裂縫或分層限制了電極性能,但與特定劑交聯或共軛聚合物的原位聚合提高了物理穩定性,同時允許探索其優越性能。石墨烯、碳納米管和碳氣凝膠等碳材料具有優異的電性能和易于生物功能化的能力,以及藥物負載。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制對細胞的損傷。直接暴露在體內的碳納米管有很高的脫離可能性。通過加強生物相容性軟聚合物基質內的碳納米管模式,可以克服上述問題。

電刺激的方法及參數

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。

直接耦合:電極直接插入培養基并附著在支架上以傳遞ES。該方法操作簡便,應用最為廣泛。然而缺點也很明顯,如電極的生物相容性不足,與介質接觸導致溫度升高,pH值變化以及產生有害副產物。

電容耦合的生物安全性更高:兩個電極放置在相對的兩端,為植入在電極之間的支架上的細胞提供均勻的電場。該系統是非侵入性的,不需要導電支架來提供均勻的ES。

電感耦合通常使用由放置在細胞培養系統周圍的導電線圈產生的可控電磁場,稱為脈沖電磁場刺激(PEMF)。刺激通過脈沖傳遞,模擬人體的自然電位傳遞。PEMF在目標細胞附近提供電位,而不是直接向細胞施加ES。PEMF處理的主要缺點是耗時和資源消耗。

ES的不同參數對調節細胞行為有相當大的影響。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。使用間歇或連續刺激是另一個參數。根據刺激參數設置,單相刺激可以有效地極化目標組織,但由于金屬電極表面的法拉第反應,單相刺激可能通過氧化還原過程產生活性氧。特別是在長時間和/或高頻率的大電流脈沖的情況下,焦耳熱效應可能導致細胞損傷。然而,由于法拉第影響小而引起的局部離子或電化學不平衡對實驗的影響也不容忽視。

雙相刺激可能更有利,因為它可以防止電荷積累,在電極處產生較低水平的電解產物,超出了單相刺激的限制,并且可以在更長的時間和更高的電壓下應用。例如,在臨床應用中通常選擇雙相刺激來刺激神經組織,因為雙相刺激較少電荷積累和有毒副產物,并且不太可能引起神經元損失。單相刺激可用于短期實驗,但長期應用需要雙相刺激。不適當的刺激參數可能導致與實驗預期相反的結果。

在刺激頻率方面,低于1 kHz的ES頻率通過顯著影響細胞周期,增加細胞比例和DNA合成來促進細胞增殖。高于100 V/cm的高強度可引起細胞膜電穿孔,細胞內Ca2+和活性氧立即增加,進而誘導細胞凋亡。當高強度不可避免時,應采用脈沖電刺激,避免持續的高強度,以減少損傷。

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