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基于电磁感应驱动石墨烯薄膜介导的无线电刺激诱导脂肪间充质干细胞的神经分化

济南大学前沿交叉科学研究院刘宏教授课题组Advanced Science

ASNChina AdvancedScienceNews 2022-03-02 08:30

       

神经退行性疾病作为临床常见疾病，仅我国每年新增病例就约500万。近年来，随着中国老龄化现象逐渐严重，针对老年人神经退行性疾病的治疗迫在眉睫。神经病变的根本原因是神经细胞的不可逆缺失，药物保守治疗只能缓解病症，从根本上解决神经损伤的最有效的治疗措施是神经组织修复和重建。对于治疗神经创伤和神经退行性疾病而言，神经组织工程已成为神经科学领域最有前景的一种方法。

神经组织工程中，可以作为种子细胞的脂肪间充质干细胞因为易获取、扩增快并具有多向分化的能力，在自体组织修复方面备受瞩目；而近年来，由于神经元的电活动性，不仅电刺激诱导种子细胞向神经方向分化受到证实，电刺激协同导电生物材料作为间充质干细胞神经分化的手段，也引起了人们广泛的重视。但临床现有的外接导线引入电信号的疗法会对患者造成不便或二次损伤，同时，如何结合神经支架材料，探索有利于加快干细胞神经分化速率和提高神经分化质量的方法，都成为现阶段的研究热点和亟待解决的问题；

基于此，济南大学前沿交叉科学研究院刘宏教授课题组利用旋转磁场为驱动源，通过石墨烯基纳米材料与磁感线切割之间的磁-电耦合效应，以脂肪间充质干细胞为研究对象，实现了电磁感应驱动石墨烯介导的脉冲电刺激诱导间充质干细胞向不同神经细胞的分化。

图1，研究中利用无线电诱导细胞神经分化的示意图

该研究搭建了一种操作简便的磁电转变设备。基于电磁感应原理，借助旋转磁场以及生物相容性良好的导体（石墨烯薄膜），该设备可在石墨烯表面产生有效、直接的原位无线电信号，以此诱导石墨烯薄膜上的间充质干细胞分化为功能性神经元。此方法不需要添加任何神经诱导因子，仅利用支架材料（石墨烯）的导体特性将外部磁场转换为电场，产生的无线电刺激激发了干细胞的神经分化潜能，并促使其分化为功能性神经元，以传递神经冲动（如图2）。与导电材料连接导线以刺激神经分化的系统相比，这种非侵入性的原位电刺激方法在治疗神经退行性疾病的临床应用中具有潜在价值，为临床医学和组织再生领域提供思路以及理论基础。

图2，ADMSC的钙离子火花测试。（A）和（C）免疫荧光照片分别显示了旋转磁场处理的干细胞中对神经递质γ-氨基丁酸（GABA）和多巴胺（DA）的反应（箭头所示）。在每个面板的右上角显示了神经发射器给药后的时间（以秒为单位）。（B）和（D）在磁处理中每个细胞的细胞Ca²⁺的相对强度。箭头表示添加GABA或DA的时间。

相关工作“Regulation of Neural Differentiation of ADMSCs using Graphene-Mediated Wireless-Localized Electrical Signals Driven by Electromagnetic Induction”发表在Advance Science（DOI: 10.1002/advs.202104424）上。文章中第一作者是硕士研究生郭志杰同学，通讯作者是孙春辉教授，孟宁教授，韩琳教授和刘宏教授。

WILEY

论文信息：

Regulation of Neural Differentiation of ADMSCs using Graphene-Mediated Wireless-Localized Electrical Signals Driven by Electromagnetic Induction

Zhijie Guo, Chunhui Sun*, Hongru Yang, Haoyang Gao, Na Liang, Jian Wang, Shuang Hu, Na Ren, Jinbo Pang, Jingang Wang, Ning Meng*, Lin Han*, Hong Liu*

Advance Science

DOI: 10.1002/advs.202104424

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济南大学Advance Science：基于电磁感应驱动石墨烯薄膜介导的无线电刺激诱导脂肪间充质干细胞的神经分化

刘宏课题组 奇物论 2022-02-22 21:01

     

第一作者：郭志杰，孙春辉，杨鸿儒；

通讯作者：刘宏，孙春辉，韩琳，孟宁；

通讯单位：济南大学前沿交叉科学研究院；

 

随着中国老年化情况的日益严重，如何有效治疗神经退行性疾病成为现阶段亟待解决的问题。神经病变的根本原因是神经细胞的不可逆缺失，而从根本上解决神经损伤，最有效的治疗措施是神经组织修复和重建。已有研究表明电刺激是诱导干细胞神经分化的有效方法。然而，使用外接导线连接进行脉冲电刺激会给患者带来不便或二次损伤，体内原位无导线电信号输入的需求更为迫切。

 

济南大学前沿交叉科学研究院（iAIR）刘宏教授团队等报道了一种基于电磁感应理论，利用旋转磁场使石墨烯基纳米材料切割磁感线产生的磁-电耦合效应，以脂肪间充质干细胞（ADMSCs）为研究对象，实现电磁感应驱动石墨烯介导的无线脉冲电刺激诱导间充质干细胞向不同神经细胞的分化。

 

该项工作的新颖性：

1.提出了一种通过在石墨烯或其他导电支架表面产生原位电信号来刺激干细胞的策略，只需将细胞接种在生物相容性良好的导体表面，在其上方放置一个旋转磁场即可实现干细胞的神经分化。产生电信号的机制基于法拉第1831年发现的众所周知的电磁感应效应。这是首次采用简易的无导线模式对干细胞进行电刺激，对临床神经修复具有重要意义。

 

2.研究证明，石墨烯薄膜介导的电信号可以在没有任何生物生长因子或化学小分子的情况下诱导ADMSCs向神经元和神经胶质细胞方向分化。最重要的是，从ADMSC分化而来的神经元不仅表达了上调的神经元相关基因和蛋白质，而且还表现出强大的神经元功能（经钙离子火花实验证实）。众所周知，从间充质干细胞分化出来的神经元很难表达神经功能，以往的工作大多只能获得神经元样细胞。

 

3.本研究合成的石墨烯薄膜具有良好的生物降解性，这可以确保石墨烯支架在旋转磁场驱动下不仅具有很强的神经再生能力，而且具有很高的生物安全性。

图1  石墨烯薄膜的制备及旋转磁场作用下无线电信号诱导间充质干细胞神经元样分化示意图。

 

图2 磁处理条件下，不同基底上的细胞在不同环境下的骨架染色。

 

图3 旋转磁场处理固定时间后（5, 10, 15天），不同培养条件下的q-PCR分析

 

图4 接种在不同基底上的ADMSCs，在不同处理条件下 ，细胞中神经特异性标记物(Nestin、MAP2和DAPI)的免疫荧光染色及统计分析

 

图5 不同条件下，接种在不同基底上的细胞中神经特异性标记物(Tuj1、GFAP和DAPI)的免疫荧光染色及统计分析

 

参考文献：

Guo, Z., Sun, C., Yang, H., Gao, H., Liang, N., Wang, J.,Hu, S., Ren, N., Pang, J., Wang, J., Meng, N., Han, L., Liu, H., Regulation ofNeural Differentiation of ADMSCs using Graphene-Mediated Wireless-LocalizedElectrical Signals Driven by Electromagnetic Induction. Adv. Sci. 2022,2104424.

DOI: 10.1002/advs.202104424

https://doi.org/10.1002/advs.202104424

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