“馴服”干細胞“解鎖”神經退行性疾病

「本文來源：光明科普」

程國勝在實驗室。受訪者供圖

■記者 沈春蕾 通訊員 郝瑩

阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓舞蹈病等神經退行性疾病是當今世界的醫(yī)學難題之一。隨著科學技術的進步，這些疾病將有被治愈的希望。

近年來，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員程國勝帶領團隊從石墨烯材料入手，為無線電刺激響應型支架材料調控細胞行為提供了新策略。相關研究成果日前發(fā)表于《先進醫(yī)療材料》。

調節(jié)干細胞分化

神經退行性疾病主要特點是神經元退化或死亡，導致神經系統(tǒng)功能障礙，進而影響運動和記憶能力。當前，干細胞治療為神經退行性疾病的治療提供了有效途徑，通過誘導干細胞分化為神經元，修復或替代受損缺失的神經元，可促進缺失功能的恢復。

據了解，干細胞是一類具有自我更新能力和分化潛能的細胞。在一定條件下，干細胞可以分化成多種功能細胞或組織器官。通過對干細胞的培養(yǎng)以及定向誘導分化，使其分化成為功能性細胞，替換損傷缺失的功能細胞，從而治療疾病。

“干細胞治療作為一種新型治療手段，被廣泛應用于多個領域?！背虈鴦俑嬖V《中國科學報》，“目前已有的應用包括干細胞治療受損關節(jié)，實現(xiàn)軟骨再生；造血干細胞移植治療骨髓疾??；注射自誘導多能干細胞中提取的心肌細胞治療心臟疾病等案例。

“直接注射干細胞會存在細胞存活率較低的缺陷，而且部分干細胞會流動至非目標區(qū)域增加致瘤風險；直接移植分化干細胞方向不定，可能造成所需的功能性細胞數(shù)量較少。”程國勝介紹，通過細胞支架的移植能夠解決干細胞在組織內流動和存活率低的問題，同時通過對細胞支架各種物理化學特性的調節(jié)實現(xiàn)對干細胞分化方向的調控。

程國勝團隊在研究中發(fā)現(xiàn)，細胞電活動在早期神經元發(fā)育和遷移以及干細胞增殖和分化過程中起著至關重要的作用，通過電刺激可調節(jié)干細胞分化，能夠實現(xiàn)神經突起的定向生長。

外接導線存在隱患

目前，神經退行性疾病的主要治療手段是利用導電支架材料，有利于誘導干細胞分化成神經元并提高其分化效率，并有助于移植細胞與宿主神經系統(tǒng)的連接。在眾多的導電支架材料中，石墨烯材料以其優(yōu)異的導電性和生物相容性、獨特的拓撲結構獲得了廣泛關注。

2010年，程國勝團隊開始研究石墨烯材料，并在2013年率先提出三維石墨烯神經支架材料的概念?！拔覀兘Y合微納加工技術，實現(xiàn)了石墨烯支架材料的精確可控制備，并對支架維度、拓撲結構、尺寸等因素對干細胞分化行為的影響進行了深入研究，取得了系統(tǒng)性研究成果。”

程國勝團隊利用石墨烯支架材料模擬體內微環(huán)境的復雜性，構建神經干細胞的生長微環(huán)境，主要圍繞阿爾茨海默病這一神經退行性疾病開展研究。

阿爾茨海默病又稱老年癡呆，患者主要表現(xiàn)為記憶、認知及語言障礙等精神癥狀，行動不便、智力減退，生活不能自理，患者多為老年人，隨著年齡增長不斷惡化。這也是最常見的神經退行性疾病。

程國勝團隊發(fā)現(xiàn)，“現(xiàn)有的導電支架體系中，大多數(shù)電刺激需要外接導線，且外接導線與支架連接可能需要使用導電性液體例如銀漿等。因此，外接導線和導線輔助材料在移植應用中會給患者造成感染和行動不便的隱患”。

“石墨烯尺寸、形狀可根據需求調節(jié)生長獲得。前期工作構建的材料通電均需要外接導線，還需要用銀漿將導線貼附在材料上。”程國勝說，“如果能夠實現(xiàn)無線的電刺激，即可避免這些隱患。”

因此，程國勝團隊將石墨烯支架設計為圓環(huán)形以形成閉合環(huán)路，利用電磁感應原理，對導電線圈通交流電后，石墨烯圓環(huán)由于磁場的變化在環(huán)路內可產生感應電流，達到無線電刺激調控干細胞行為的目的。

走向臨床還有待時日

“細胞膜上有多種離子通道，細胞膜電活動是細胞膜內外離子的運動而產生的電位差?！背虈鴦俳榻B，“當外界給予細胞電刺激，可改變細胞膜周圍電荷分布，細胞產生動作電位，從而影響細胞行為?！?/span>

當前，用作生物材料的導電材料有導電碳材料、導電高分子材料等，各有各的優(yōu)勢，不同應用范圍可選不同的導電材料。

在石墨烯材料的實驗操作上，程國勝團隊利用化學氣相沉積法制備石墨烯線圈，對石墨烯結構形貌進行系統(tǒng)表征，優(yōu)化外部線圈電流與頻率，模擬出對大鼠存活無影響的電刺激條件，并進一步通過無線電刺激提高神經干細胞分化為神經元的效率。

“這項成果從開始研究到論文發(fā)表歷時3年，主要困難在于摸索并優(yōu)化電刺激條件。”程國勝說，“研究成果既發(fā)揮石墨烯材料促進神經突起延長的優(yōu)勢，又結合了無線電刺激對神經突起生長的促進作用，降低移植損傷，為無線電刺激響應型支架材料調控細胞行為提供了新策略。

他透露，石墨烯的生物可降解性以及移植操作性需要進一步完善，團隊正將這一策略應用到其他三維導電材料，如在水凝膠材料中開展系統(tǒng)研究，后期還需開展深入的動物實驗以及臨床前的技術評估。如進展順利，有望在將來5～10年走向臨床應用。

程國勝也表示，如果將石墨烯材料應用到臨床移植導電支架材料，通電需要外接導線連接，傷口有導線外露則會有感染的風險，有導線牽連也會帶來行動的不便。目前的電刺激系統(tǒng)治療相關方案一是將電極材料植入，并將導線外層設計成可延伸的彈性絕緣材料，降低導線拉扯帶來的風險；二是將電極、導線和皮下接收刺激器整體植入體內。