Adv. Funct. Mater.：热敏、可拉伸和压电基材用于人间充质干细胞使骨骼肌再生

【背景介绍】

肌肉萎缩是与衰老相关的骨骼肌疾病，是骨骼肌质量和强度的退化性衰退引起的。这种疾病导致严重的社会问题，并导致生活质量下降。据估计，60-70岁的人中有5-13％，80岁以上的人中有11-50％受到肌肉萎缩的影响。该疾病可以通过运动或营养物质，化学药物或激素进行治疗。但是，这种疾病仍然很难得到彻底治愈，也没有公认的治疗药物。

【成果简介】

近日，首尔大学Tae Il Lee、Byung-Soo Kim（共同通讯）等人开发出能够模拟体内微环境并体积培养细胞刺激的细胞培养体系，并且测试了刺激是否能够促进人脐带间充质干细胞（hUCBMSCs）的肌原性分化。热敏，可拉伸和压电基板（TSPS）通过聚二甲基硅氧烷旋涂法制备出均匀的ZnO纳米棒，然后在聚二甲基硅氧烷表面进行聚（N-异丙基丙烯酰胺）移植。通过对TSPS进行循环拉伸和弯曲，为在TSPS上培养的hUCBMSCs提供脉冲机械电信号，从而显著促进hUCBMSCs的肌原性分化以及与分化相关的细胞内信号传导。 体外分化后，细胞以细胞片段的形式从TSPS分离。与注射未分化细胞或分化的解离细胞相比，将分化细胞的细胞片段注射到损伤的小鼠骨骼肌中表现出改善的细胞滞留和肌肉再生。相关成果以题为“Thermosensitive, Stretchable, and Piezoelectric Substrate for Generation of Myogenic Cell Sheet Fragments from Human Mesenchymal Stem Cells for Skeletal Muscle Regeneration”发表在了Advanced Functional Materials上。

【图文导读】

图1 使用TSPS肌原性分化hUCBMSCs的示意图

A）在天然骨骼肌微环境中的机械和电刺激

B）定制设计的细胞培养室，为TSPS上培养的hUCBMSCs提供机械和电刺激，用于肌原性分化

图2 TSPS的制造和压电特性

A）单晶ZnO NR

B）单向排列的ZnO NR的单层

C）由COMSOL Multiphysics计算的由三层ZnO NR组成的TSPS中的压电电势分布

D）TSPS在重复弯曲下产生的压电电势

图3 由压电电位引起的细胞膜电位变化的模拟

A）从TSPS表面施加的模拟半电势作为时间的函数

B）电势转移模型到细胞膜的几何形状

C）在0.8秒和2.4秒计算的电势分布

D）A-A'线在一段时间内的电势分布

图4 TSPS的热敏性

A）通过X射线光电子能谱分析PDMS，pGMA-PDMS和pNIPAAm-pGMA-PDMS表面的化学组成和原子比

B）TSPS在25℃和37℃的接触角

C）在4℃PBS中冷却TSPS 10分钟后从TSPS中分离细胞

【小结】

为了设计用于骨骼肌再生的干细胞疗法，该团队开发了一种简单的细胞培养方法，用于从hUCBMSC产生肌原细胞分化的细胞片段。基于此培养方法成功地模仿了原生骨骼肌组织的电和机械微环境，并促进了hUCBMSCs的肌原性分化。该培养体系可用于改善干细胞对肌肉疾病的治疗效果，并研究干细胞的电和机械调节。

文献链接：Thermosensitive, Stretchable, and Piezoelectric Substrate for Generation of Myogenic Cell Sheet Fragments from Human Mesenchymal Stem Cells for Skeletal Muscle Regeneration（Adv.Funct.Mater,2017,DOI:10.1002/adfm.201703853）

本文由材料人生物材料组Allen供稿，材料牛整理编辑。

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