ACTBio:中国团队“破解”多能干细胞安全诱导新方法 加速人类胚胎干细胞向神经元分化

来源：生物世界2022-09-13 17336032

在这篇论文中，研究团队展示了利用表面声波(SAW)加速神经元分化的开创性方法和原理，揭示了SAW通过调节细胞外基质(ECM)、质膜和肌动蛋白细胞骨架的变化来加速神经元分化的新方法。

近日，来自英国卡迪夫大学的杨欣团队和武汉瑞健医学团队在《生物学报》发表了一篇题为《声学加速人类胚胎干细胞的神经分化》的研究论文。

在这篇论文中，研究团队展示了利用表面声波(SAW)加速神经元分化的开创性方法和原理，揭示了SAW通过调节细胞外基质(ECM)、质膜和肌动蛋白细胞骨架的变化来加速神经元分化的新方法。

这样，在多功能应用的过程中，可以进一步避免基因组修改带来的偏差。同时用新的物理方法操纵细胞，为疾病治疗提供了新的思路。

据悉，该研究成果源于2019年2月由卡迪夫大学医学院和武汉瑞健医药联合申请的EPSRC产业战略创新安置计划。该研究计划主要致力于开发用于识别特定生物标志物的新型医学传感器，以实现对各种恶性疾病的早期和新型治疗方法的开发。此前，该计划已得到英国政府最高科学机构英国研究委员会的批准和资助。

目前，随着医学、生物技术等学科的发展，再生医学已经成为一个研究治愈多种疾病可能性的学科平台，包括因年龄、疾病或创伤而受损的组织和器官，以及先天性缺陷，这些都有望被再生医学治愈。此外，再生医学平台还为传统药物开发提供了全新的药物筛选和毒理评价体系，为粗放式药物开发开辟了全新的思路。

该研究小组的工作还旨在进一步探索新技术在再生医学中的应用。

据本文作者英国卡迪夫大学生物医学工程系杨欣教授和瑞健医学联合创始人兼CEO魏军博士介绍，他们团队以多能干细胞的神经分化为切入点，直接将柔性印刷电路板(FPCB)夹在压电基片上，实现产生声表面波(SAW)的细胞刺激器(FSCS)，并研究其对人胚胎干细胞(hESCs)分化为神经元的影响。

FPCB由柔性材料制成，具有良好的机械性能，可在高温高压等恶劣的工作条件下使用。因此，处理后的细胞刺激器可以长期放置在培养箱中，并保持其工作稳定。

然而，柔性FPCB和压电材料通过物理方法紧密结合后，可以有效地产生声表面波。SAW是一种能量集中在表面的超声波，特别适合与附着在表面的细胞相互作用。通过优化控制参数，SAW在干细胞培养液中产生极高速度的液体流动，大大增加了培养体系中可溶性物质与细胞之间的物质传递速率。

值得一提的是，目前声表面波器件通常采用光刻技术制造，如在LiNbO3等压电基片上加工图案化叉指换能器(IDT)。

为了在再生医学的未来应用中最大限度地减少制备声表面波设备对洁净室设施的强烈依赖，该研究团队还探索了一种基于FPCB声表面波细胞刺激(FSCS)装置的全新技术。

结果表明，FSCS装置可以缩短刺激时间，适应细胞培养的特殊环境。SAW的能量和频率精度也更可控，波长接近细胞大小，可以直接控制细胞。

此外，在这项研究过程中，相关研究团队还完全根据干细胞分化所需的能量量身定制了SAW的工作参数，在细胞上形成每秒数千万次的微波振动，以刺激干细胞的活性。同时，通过优化控制参数，SAW在干细胞培养液中产生了极其高速的液体流动，大大增加了生化因子与细胞之间的物质传递速率。

其中，声表面波与装置中培养基的相互作用可以用数值模型和解析模型来解释。来自PDMS-铌酸锂-流体接触点的边缘波和平面波的参数由以下模型确定：R=SIN-1(C1/C2)；对于SAW边界条件，由以下公式确定：=-e-e-ik其中，k，分别代表角频率，振幅，波数，衰减系数和坐标。

在这篇论文中，研究团队展示了利用表面声波(SAW)加速神经元分化的开创性方法和原理，揭示了SAW通过调节细胞外基质(ECM)、质膜和肌动蛋白细胞骨架的变化来加速神经元分化的新方法。

与无刺激的静态诱导相比，经过上述一系列声刺激后，人胚胎干细胞向神经元的分化速度大大加快。在这个过程中，声表面波与流体相互作用时，声表面波漏入流体，产生声压分布，导致介质流动和微循环，对细胞施加外力。

一系列的细胞形态学和组学分析表明，这种有效的机械刺激的潜在机制是蛋白质级联变化引起的生物事件，它会首先触发细胞。

这一在多能干细胞上的全新探索可以大大加速使用多能干细胞衍生的神经谱系产品的开发，为细胞的分化提供全新的物理平台，有望产生 洁净的 物理诱导方式。

在论文中，研究团队也同时建议通过使用基于FPCB的SAW细胞刺激（FSCS）设备来加速细胞的分化过程。在后续的计划中，该设备可以方便地应用于在多能干细胞的批量调控中，有望为再生医学以及组织工程提供全新的思路。

这种高频外部声学刺激完全能被精确的参数所控制，这对于多能干细胞的神经分化过程中，机械转导蛋白的微调而言是独一无二的。而为了进一步开拓新技术在再生医学上的应用，此次研究还创造性地对再生医学的关键材料多能干细胞进行了物理诱导。 魏君表示。

在英国卡迪夫大学生物医学工程系博士生导师杨欣教授看来，通过这种方式，能够在多能干细胞应用过程中进一步避免基因组改造等方式带来的偏差。同时，通过全新物理手段对细胞进行操作，也可以为未来的疾病治疗打开全新窗口。