多能干細胞安全誘導新方法被“破解”。
近日，來(lái)自英國卡迪夫大學(xué)的楊欣團隊與武漢睿健醫藥團隊在A(yíng)cta 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)細胞分化的開(kāi)創(chuàng )性方法及原理，并揭示了SAW通過(guò)調控細胞外基質(zhì) (ECM) 與質(zhì)膜、肌動(dòng)蛋白細胞骨架的變化，最終加速神經(jīng)元分化的全新方法。
通過(guò)這種方式，可以在多能干細胞應用過(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)全新物理手段對細胞進(jìn)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(xué)醫學(xué)院和武漢睿健醫藥攜手申請的“EPSRC 產(chǎn)業(yè)戰略創(chuàng )新”（EPSRC Industrial Strategy Innovation placements）計劃，這一研究計劃主要致力于開(kāi)發(fā)新型醫學(xué)傳感器，用于精準識別特異性生物標志物，以期實(shí)現多種惡性疾病的早期診斷及新型治療的開(kāi)發(fā)。此前，該計劃已獲得英國政府最高科學(xué)管理機構——英國研究委員會(huì )（British Research Council ）的批準及資助。
目前，隨著(zhù)醫學(xué)、生物技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展，再生醫學(xué)已經(jīng)成為一種研究多種疾病治愈可能的學(xué)科平臺，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)再生醫學(xué)得以“治愈”。另外，再生醫學(xué)平臺還為傳統藥物開(kāi)發(fā)提供了全新的藥物篩選及毒理評價(jià)體系，開(kāi)啟了廣泛醫藥開(kāi)發(fā)的全新思路。
此次研究團隊所做的工作，也旨在進(jìn)一步開(kāi)拓新技術(shù)在再生醫學(xué)上的應用。
據本論文通訊作者、英國卡迪夫大學(xué)生物醫學(xué)工程系楊欣教授和睿健醫藥聯(lián)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(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)現產(chǎn)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(jīng)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(cháng)時(shí)間放置于培養箱中且保持工作的穩定。
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胞發(fā)生作用。通過(guò)優(yōu)化控制參數，SAW在干細胞培養基中產(chǎn)生了極高速度的液流，使培養體系中的溶解性物質(zhì)與細胞之間的物質(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)再生醫學(xué)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(lài)，此次研究團隊還探索了一種全新的技術(shù) ——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(shí)間并更為適應細胞培養的特殊環(huán)境。SAW的能量、頻率精準度也更為可控，其波長(cháng)與細胞大小接近，可以直接對細胞進(jìn)行操控。
此外，在本次研究過(guò)程中，相關(guān)研究團隊還對SAW的工作參數，進(jìn)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(wàn)次的微波振動(dòng)而激發(fā)干細胞的活性。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化控制參數，SAW在干細胞培養基中產(chǎn)生了極高速度的液流，使生化因子與細胞之間的物質(zhì)傳遞速率極大提高。
其中，裝置中 SAW 和培養基之間的相互作用可以通過(guò)數值和分析模型來(lái)解釋?zhuān)瑏?lái)自 PDMS-LiNbO3-流體接觸點(diǎn)的邊緣波和平面波的參數由下面的模型確定：
對于SAW邊界條件則由下式確定：
其中
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