濟南大學劉宏教授團隊Nano Energy：基于壓電電子學的超聲驅動無線局域電信號誘導成體干細胞神經元樣分化

【引言】?

神經創傷和神經退行性疾病，如阿爾茨海默病和帕金森病，會導致神經網絡結構的不可逆破壞，并伴有細胞死亡。由于成人缺乏神經干細胞，自體神經干細胞治療神經退行性疾病是不可能實現的。到目前為止，利用成體間充質干細胞獲得神經元細胞仍然是生物學家面臨的一大挑戰。雖然已有研究表明電刺激是刺激各種干細胞增殖或分化的有效信號。然而，現在臨床或是多數研究所用的電刺激都是由外部電源的有線電刺激和脈沖電信號發生器提供的。這些侵入性設備會導致慢性創傷，增加身體感染和炎癥的風險，不適于人體內神經修復。

【成果簡介】

濟南大學前沿交叉科學研究院劉宏教授團隊基于壓電電子學的機理，提出了一種超聲驅動壓電納米結構PVDF材料來產生無線局域電信號誘導成體干細胞神經元樣分化的系統。采用AAO模板熱壓法制備了具有優異壓電性的PVDF納米柱陣列，與PVDF薄膜相比，該陣列由于納米柱易于變形和點放電的特點，更有利于局域電信號的產生。而超聲刺激可以產生對生物組織的深度滲透，且可以刺激PVDF納米柱陣列產生更大變形以提供更強的局域電信號來刺激干細胞的神經分化。在無需任何生物或化學分化因子的前提下，納米結構PVDF膜表面產生的原位電信號有效調控大鼠骨髓間充質干細胞（rBMSCs）的神經元樣分化。超聲刺激的PVDF納米柱陣列培養的細胞在基因和蛋白水平上的神經分化評估證明表面產生的電信號誘導rBMSCs的神經元樣分化。更重要的是，在一定超聲范圍（300-500 W）內，隨著超聲刺激的增加，rBMSCs在PVDF納米陣列上更有利于神經元樣細胞分化。

該成果以題為“Piezotronic effect determined neuron-like differentiation of adult stem cells driven by ultrasound”發表在Nano Energy上。這是該課題組自己提出的“納米結構介導的物理信號對干細胞命運調控”研究方向的一部分。

【圖文導讀】

圖1?PVDF納米柱陣列的制備及超聲作用下無線局域電信號誘導間充質干細胞神經元樣分化示意圖。

圖2??PVDF薄膜和PVDF納米柱陣列的表征。（A-C）PVDF薄膜的實物圖、SEM圖、45o?SEM圖。（D）直徑為200 nm的AAO模板SEM圖。（E，F）PVDF納米柱陣列的SEM圖和45o?SEM圖。氧等離子體處理后的PVDF薄膜（G）和PVDF納米柱陣列（H）的接觸角。PVDF薄膜和PVDF納米柱陣列的拉曼光譜（I），XRD（J），FT-IR光譜（K），壓電振幅圖（L）和相位圖（M）。（N）?PVDF納米柱陣列超聲示波器輸出電壓。

圖3?不同超聲功率下（0，300，400，500 W），14天時PVDF薄膜和PVDF納米柱陣列上接種細胞的骨架圖，其中細胞骨架為紅色，細胞核為藍色。

圖4 不同無線電信號刺激強度下rBMSCs的神經分化。培養21天后，分別對神經特異性基因（A）Tuj1、（B）MAP2和（C）GFAP的表達量進行qPCR分析。（*р ≤ 0.05, **р ≤ 0.01, n = 3）。

?圖5 PVDF納米柱陣列不同無線電信號刺激強度培養21天時rBMSCs中神經特異性標記物的免疫熒光染色。細胞核為藍色，綠色為Tuj1或GFAP，紅色為MAP2。Tuj1（I）和MAP2（K）的平均熒光強度的統計分析。分化后細胞群中Tuj1陽性細胞（J）和MAP2陽性細胞（L）細胞的百分比。（*р≤0.05，**р≤0.01，n = 4）。

【小結】

綜上可知，壓電效應在超聲驅動的機械變形下，在壓電材料表面產生原位電荷，為神經分化和獲得神經元提供了良好的機會。以上研究結果證明了基于壓電電子學效應在超聲驅動壓電納米結構產生強無線電信號進而可調節成人間充質干細胞分化為神經元樣細胞的可行性。本研究為神經退行性疾病的自體干細胞治療、神經修復和再生開辟了新的途徑。?并為非侵入性神經再生裝置的發展帶來了巨大的希望。

文獻鏈接：Piezotronic effect determined neuron-like differentiation of adult stem cells driven by ultrasound. Nano Energy,?2021, 90,?106634, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106634

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