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苏州纳米所程国胜团队在无线电刺激响应型神经支架方面取得进展

狮子致命的思念

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神经退行性疾病是当前医学难题和挑战之一,其主要特点是神经元退化或死亡,导致神经系统功能障碍,进而影响运动和记忆能力。干细胞治疗为神经退行性疾病的治疗提供了有效途径,通过诱导干细胞分化为神经元,修复或替代受损缺失的神经元,可促进缺失功能的恢复。

细胞电活动在早期神经元发育和迁移以及干细胞增殖和分化过程中起着至关重要的作用,通过电刺激可调节干细胞的分化,能够实现神经突起的定向生长。因此,利用导电支架材料有利于诱导干细胞分化成神经元并提高其分化效率,并有助于移植细胞与宿主神经系统的连接。在众多的导电支架材料中,石墨烯材料以其优异的导电性和生物相容性、独特的拓扑结构获得了广泛关注。

中科院苏州纳米所程国胜团队近年来一直致力于开发导电神经支架材料,模拟体内微环境的复杂性,构建神经干细胞的生长微环境。团队结合微纳加工技术,实现了石墨烯支架材料的精确可控制备,并对支架维度、拓扑结构、尺寸等因素对干细胞分化行为的影响进行了深入研究,取得了系统性研究成果。(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)

现有的导电支架体系中,大多数电刺激需要外接导线,且外接导线与支架连接可能需要导电性液体例如银浆的使用,因此,外接导线和导线辅助材料会对移植应用造成感染和行动不便的隐患。

针对上述问题,程国胜研究团队将石墨烯支架设计为圆环形,形成闭合环路,利用电磁感应原理,对导电线圈通交流电后,石墨烯圆环由于磁场的变化产生感应电流在环路内可产生感应电流,达到无线电刺激调控干细胞行为的目的(图1)。利用化学气相沉积法制备石墨烯线圈,对石墨烯结构形貌进行系统表征(图2),优化外部线圈电流与频率,筛选出对大鼠存活无影响的电刺激条件,进一步,通过无线电刺激促进了神经干细胞分化为神经元的效率(图3)。既发挥石墨烯材料促进神经突起延长的优势,又结合了无线电刺激对神经突起生长的促进作用,降低移植损伤,为无线电刺激响应型支架材料调控细胞行为提供了新策略。

图1. 无线电刺激诱导神经干细胞分化为神经元的示意图

图2. 环形石墨烯的(a)照片、(b)元素分析结果、(c)拉曼光谱图、(d)TEM图、(e)电子衍射图以及(f)在正弦交流信号下的感应电动势结果

图3 神经干细胞在环形石墨烯支架上分化7天后相关标记蛋白的表达情况

该研究成果以“Strategy for Designing a Cell Scaffold to Enable Wireless Electrical Stimulation for Enhanced Neuronal Differentiation of Stem Cells”为题发表在Adv. Healthcare Mater. 2021,10,2100027上。论文第一作者为中科院苏州纳米所硕士生韩芳,通讯作者为程国胜研究员和郝莹副研究员,该工作得到了国家自然科学基金、广东省区域联合基金以及江苏省自然科学基金等项目的支持。

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