華人團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)多能干細(xì)胞安全誘導(dǎo)新方法，基于聲表面波加速細(xì)胞分化

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來(lái)源：藥渡

2022-09-14

多能干細(xì)胞安全誘導(dǎo)新方法被“破解”。

近日，來(lái)自英國(guó)卡迪夫大學(xué)的楊欣團(tuán)隊(duì)與武漢睿健醫(yī)藥團(tuán)隊(duì)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(jīng)細(xì)胞分化的開(kāi)創(chuàng)性方法及原理，并揭示了SAW通過(guò)調(diào)控細(xì)胞外基質(zhì) (ECM) 與質(zhì)膜、肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的變化，最終加速神經(jīng)元分化的全新方法。

通過(guò)這種方式，可以在多能干細(xì)胞應(yīng)用過(guò)程中進(jìn)一步避免基因組改造等方式帶來(lái)的偏差。同時(shí)，通過(guò)全新物理手段對(duì)細(xì)胞進(jìn)行操作，為疾病治療提供了新思路。

據(jù)悉，該項(xiàng)研究成果源自2019年2月英國(guó)卡迪夫大學(xué)醫(yī)學(xué)院和武漢睿健醫(yī)藥攜手申請(qǐng)的“EPSRC 產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略創(chuàng)新”（EPSRC Industrial Strategy Innovation placements）計(jì)劃，這一研究計(jì)劃主要致力于開(kāi)發(fā)新型醫(yī)學(xué)傳感器，用于精準(zhǔn)識(shí)別特異性生物標(biāo)志物，以期實(shí)現(xiàn)多種惡性疾病的早期診斷及新型治療的開(kāi)發(fā)。此前，該計(jì)劃已獲得英國(guó)政府最高科學(xué)管理機(jī)構(gòu)——英國(guó)研究委員會(huì)（British Research Council ）的批準(zhǔn)及資助。

目前，隨著醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展，再生醫(yī)學(xué)已經(jīng)成為一種研究多種疾病治愈可能的學(xué)科平臺(tái)，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(guò)再生醫(yī)學(xué)得以“治愈”。另外，再生醫(yī)學(xué)平臺(tái)還為傳統(tǒng)藥物開(kāi)發(fā)提供了全新的藥物篩選及毒理評(píng)價(jià)體系，開(kāi)啟了廣泛醫(yī)藥開(kāi)發(fā)的全新思路。

此次研究團(tuán)隊(duì)所做的工作，也旨在進(jìn)一步開(kāi)拓新技術(shù)在再生醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。

據(jù)本論文通訊作者、英國(guó)卡迪夫大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系楊欣教授和睿健醫(yī)藥聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO魏君博士介紹，其所在團(tuán)隊(duì)以多能干細(xì)胞的神經(jīng)分化作為切入點(diǎn)，通過(guò)將柔性印刷電路板 (FPCB) 直接夾在壓電基板上來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生表面聲波 (SAW) 的細(xì)胞刺激器（FSCS），并研究其對(duì)人源胚胎干細(xì)胞（hESCs）向神經(jīng)元分化的影響。

FPCB使用的是柔性材料，具有良好的機(jī)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(xì)胞刺激器可以長(zhǎng)時(shí)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(guò)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(xì)胞發(fā)生作用。通過(guò)優(yōu)化控制參數(shù)，SAW在干細(xì)胞培養(yǎng)基中產(chǎn)生了極高速度的液流，使培養(yǎng)體系中的溶解性物質(zhì)與細(xì)胞之間的物質(zhì)傳遞速率極大提高。

值得一提的是，目前，SAW 器件通常是通過(guò)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(lái)再生醫(yī)學(xué)的應(yīng)用中，盡量減少對(duì)制備 SAW 設(shè)備的潔凈室設(shè)施的強(qiáng)烈依賴，此次研究團(tuán)隊(duì)還探索了一種全新的技術(shù) ——基于FPCB SAW 的細(xì)胞刺激 (FSCS) 器件。

研究結(jié)果顯示，使用FSCS器件可以減少刺激時(shí)間并更為適應(yīng)細(xì)胞培養(yǎng)的特殊環(huán)境。SAW的能量、頻率精準(zhǔn)度也更為可控，其波長(zhǎng)與細(xì)胞大小接近，可以直接對(duì)細(xì)胞進(jìn)行操控。

此外，在本次研究過(guò)程中，相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)SAW的工作參數(shù)，進(jìn)行了完全按照干細(xì)胞分化所需的能量“量身定做”，在細(xì)胞上形成每秒幾千萬(wàn)次的微波振動(dòng)而激發(fā)干細(xì)胞的活性。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化控制參數(shù)，SAW在干細(xì)胞培養(yǎng)基中產(chǎn)生了極高速度的液流，使生化因子與細(xì)胞之間的物質(zhì)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(guò)數(shù)值和分析模型來(lái)解釋，來(lái)自 PDMS-LiNbO3-流體接觸點(diǎn)的邊緣波和平面波的參數(shù)由下面的模型確定：