華人團隊發(fā)現多能干細胞安全誘導新方法，基于聲表面波加速細胞分化

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來源：藥渡

2022-09-14

多能干細胞安全誘導新方法被“破解”。

近日，來自英國卡迪夫大學的楊欣團隊與武漢睿健醫(yī)藥團隊在Acta Biomaterialia雜志發(fā)表題為Acoustically accelerated neural differentiation of human embryonic stem cells的文章。在論文中，他們展示了一種利用聲表面波（SAW）加速神經細胞分化的開創(chuàng)性方法及原理，并揭示了SAW通過調控細胞外基質 (ECM) 與質膜、肌動蛋白細胞骨架的變化，最終加速神經元分化的全新方法。

通過這種方式，可以在多能干細胞應用過程中進一步避免基因組改造等方式帶來的偏差。同時，通過全新物理手段對細胞進行操作，為疾病治療提供了新思路。

據悉，該項研究成果源自2019年2月英國卡迪夫大學醫(yī)學院和武漢睿健醫(yī)藥攜手申請的“EPSRC 產業(yè)戰(zhàn)略創(chuàng)新”（EPSRC Industrial Strategy Innovation placements）計劃，這一研究計劃主要致力于開發(fā)新型醫(yī)學傳感器，用于精準識別特異性生物標志物，以期實現多種惡性疾病的早期診斷及新型治療的開發(fā)。此前，該計劃已獲得英國政府最高科學管理機構——英國研究委員會（British Research Council ）的批準及資助。

目前，隨著醫(yī)學、生物技術等學科的發(fā)展，再生醫(yī)學已經成為一種研究多種疾病治愈可能的學科平臺，包括因年齡、疾病或創(chuàng)傷而受損的組織和器官，以及先天性缺陷均有望通過再生醫(yī)學得以“治愈”。另外，再生醫(yī)學平臺還為傳統(tǒng)藥物開發(fā)提供了全新的藥物篩選及毒理評價體系，開啟了廣泛醫(yī)藥開發(fā)的全新思路。

此次研究團隊所做的工作，也旨在進一步開拓新技術在再生醫(yī)學上的應用。

據本論文通訊作者、英國卡迪夫大學生物醫(yī)學工程系楊欣教授和睿健醫(yī)藥聯合創(chuàng)始人兼CEO魏君博士介紹，其所在團隊以多能干細胞的神經分化作為切入點，通過將柔性印刷電路板 (FPCB) 直接夾在壓電基板上來實現產生表面聲波 (SAW) 的細胞刺激器（FSCS），并研究其對人源胚胎干細胞（hESCs）向神經元分化的影響。

FPCB使用的是柔性材料，具有良好的機械性能，可以在高溫、高壓等惡劣工況下使用。由此加工后的細胞刺激器可以長時間放置于培養(yǎng)箱中且保持工作的穩(wěn)定。

而柔性FPCB與壓電材料通過物理方法形成緊密健合后，能有效地生成SAW。所謂的SAW是一種能量集中于表面的超聲波，特別適合與表面貼壁細胞發(fā)生作用。通過優(yōu)化控制參數，SAW在干細胞培養(yǎng)基中產生了極高速度的液流，使培養(yǎng)體系中的溶解性物質與細胞之間的物質傳遞速率極大提高。

值得一提的是，目前，SAW 器件通常是通過光刻工藝制造的，比如在鈮酸鋰 (LiNbO3) 等壓電基板上加工圖案化叉指換能器 (IDT)。

而為了在未來再生醫(yī)學的應用中，盡量減少對制備 SAW 設備的潔凈室設施的強烈依賴，此次研究團隊還探索了一種全新的技術 ——基于FPCB SAW 的細胞刺激 (FSCS) 器件。

研究結果顯示，使用FSCS器件可以減少刺激時間并更為適應細胞培養(yǎng)的特殊環(huán)境。SAW的能量、頻率精準度也更為可控，其波長與細胞大小接近，可以直接對細胞進行操控。

此外，在本次研究過程中，相關研究團隊還對SAW的工作參數，進行了完全按照干細胞分化所需的能量“量身定做”，在細胞上形成每秒幾千萬次的微波振動而激發(fā)干細胞的活性。同時，通過優(yōu)化控制參數，SAW在干細胞培養(yǎng)基中產生了極高速度的液流，使生化因子與細胞之間的物質傳遞速率極大提高。

其中，裝置中 SAW 和培養(yǎng)基之間的相互作用可以通過數值和分析模型來解釋，來自 PDMS-LiNbO3-流體接觸點的邊緣波和平面波的參數由下面的模型確定：