济南大学刘宏教授团队Nano Energy：基于压电电子学的超声驱动无线局域电信号诱导成体干细胞神经元样分化

【引言】 

神经创伤和神经退行性疾病，如阿尔茨海默病和帕金森病，会导致神经网络结构的不可逆破坏，并伴有细胞死亡。由于成人缺乏神经干细胞，自体神经干细胞治疗神经退行性疾病是不可能实现的。到目前为止，利用成体间充质干细胞获得神经元细胞仍然是生物学家面临的一大挑战。虽然已有研究表明电刺激是刺激各种干细胞增殖或分化的有效信号。然而，现在临床或是多数研究所用的电刺激都是由外部电源的有线电刺激和脉冲电信号发生器提供的。这些侵入性设备会导致慢性创伤，增加身体感染和炎症的风险，不适于人体内神经修复。

【成果简介】

济南大学前沿交叉科学研究院刘宏教授团队基于压电电子学的机理，提出了一种超声驱动压电纳米结构PVDF材料来产生无线局域电信号诱导成体干细胞神经元样分化的系统。采用AAO模板热压法制备了具有优异压电性的PVDF纳米柱阵列，与PVDF薄膜相比，该阵列由于纳米柱易于变形和点放电的特点，更有利于局域电信号的产生。而超声刺激可以产生对生物组织的深度渗透，且可以刺激PVDF纳米柱阵列产生更大变形以提供更强的局域电信号来刺激干细胞的神经分化。在无需任何生物或化学分化因子的前提下，纳米结构PVDF膜表面产生的原位电信号有效调控大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）的神经元样分化。超声刺激的PVDF纳米柱阵列培养的细胞在基因和蛋白水平上的神经分化评估证明表面产生的电信号诱导rBMSCs的神经元样分化。更重要的是，在一定超声范围（300-500 W）内，随着超声刺激的增加，rBMSCs在PVDF纳米阵列上更有利于神经元样细胞分化。

该成果以题为“Piezotronic effect determined neuron-like differentiation of adult stem cells driven by ultrasound”发表在Nano Energy上。这是该课题组自己提出的“纳米结构介导的物理信号对干细胞命运调控”研究方向的一部分。

【图文导读】

图1 PVDF纳米柱阵列的制备及超声作用下无线局域电信号诱导间充质干细胞神经元样分化示意图。

图2  PVDF薄膜和PVDF纳米柱阵列的表征。（A-C）PVDF薄膜的实物图、SEM图、45º SEM图。（D）直径为200 nm的AAO模板SEM图。（E，F）PVDF纳米柱阵列的SEM图和45º SEM图。氧等离子体处理后的PVDF薄膜（G）和PVDF纳米柱阵列（H）的接触角。PVDF薄膜和PVDF纳米柱阵列的拉曼光谱（I），XRD（J），FT-IR光谱（K），压电振幅图（L）和相位图（M）。（N） PVDF纳米柱阵列超声示波器输出电压。

图3 不同超声功率下（0，300，400，500 W），14天时PVDF薄膜和PVDF纳米柱阵列上接种细胞的骨架图，其中细胞骨架为红色，细胞核为蓝色。

图4 不同无线电信号刺激强度下rBMSCs的神经分化。培养21天后，分别对神经特异性基因（A）Tuj1、（B）MAP2和（C）GFAP的表达量进行qPCR分析。（*р ≤ 0.05, **р ≤ 0.01, n = 3）。

 图5 PVDF纳米柱阵列不同无线电信号刺激强度培养21天时rBMSCs中神经特异性标记物的免疫荧光染色。细胞核为蓝色，绿色为Tuj1或GFAP，红色为MAP2。Tuj1（I）和MAP2（K）的平均荧光强度的统计分析。分化后细胞群中Tuj1阳性细胞（J）和MAP2阳性细胞（L）细胞的百分比。（*р≤0.05，**р≤0.01，n = 4）。

【小结】

综上可知，压电效应在超声驱动的机械变形下，在压电材料表面产生原位电荷，为神经分化和获得神经元提供了良好的机会。以上研究结果证明了基于压电电子学效应在超声驱动压电纳米结构产生强无线电信号进而可调节成人间充质干细胞分化为神经元样细胞的可行性。本研究为神经退行性疾病的自体干细胞治疗、神经修复和再生开辟了新的途径。 并为非侵入性神经再生装置的发展带来了巨大的希望。

文献链接：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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