阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓舞蹈病等神經(jīng)退行性疾病是當今世界的醫學(xué)難題之一。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，這些疾病將有被治愈的希望。

　　近年來(lái)，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員程國勝帶領(lǐng)團隊從石墨烯材料入手，為無(wú)線(xiàn)電刺激響應型支架材料調控細胞行為提供了新策略。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《先進(jìn)醫療材料》。

　　調節干細胞分化 

　　神經(jīng)退行性疾病主要特點(diǎn)是神經(jīng)元退化或死亡，導致神經(jīng)系統功能障礙，進(jìn)而影響運動(dòng)和記憶能力。當前，干細胞治療為神經(jīng)退行性疾病的治療提供了有效途徑，通過(guò)誘導干細胞分化為神經(jīng)元，修復或替代受損缺失的神經(jīng)元，可促進(jìn)缺失功能的恢復。

　　據了解，干細胞是一類(lèi)具有自我更新能力和分化潛能的細胞。在一定條件下，干細胞可以分化成多種功能細胞或組織器官。通過(guò)對干細胞的培養以及定向誘導分化，使其分化成為功能性細胞，替換損傷缺失的功能細胞，從而治療疾病。

　　“干細胞治療作為一種新型治療手段，被廣泛應用于多個(gè)領(lǐng)域。”程國勝告訴《中國科學(xué)報》，“目前已有的應用包括干細胞治療受損關(guān)節，實(shí)現軟骨再生；造血干細胞移植治療骨髓疾病；注射自誘導多能干細胞中提取的心肌細胞治療心臟疾病等案例。

　　“直接注射干細胞會(huì )存在細胞存活率較低的缺陷，而且部分干細胞會(huì )流動(dòng)至非目標區域增加致瘤風(fēng)險；直接移植分化干細胞方向不定，可能造成所需的功能性細胞數量較少。”程國勝介紹，通過(guò)細胞支架的移植能夠解決干細胞在組織內流動(dòng)和存活率低的問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)對細胞支架各種物理化學(xué)特性的調節實(shí)現對干細胞分化方向的調控。

　　程國勝團隊在研究中發(fā)現，細胞電活動(dòng)在早期神經(jīng)元發(fā)育和遷移以及干細胞增殖和分化過(guò)程中起著(zhù)至關(guān)重要的作用，通過(guò)電刺激可調節干細胞分化，能夠實(shí)現神經(jīng)突起的定向生長(cháng)。

　　外接導線(xiàn)存在隱患 

　　目前，神經(jīng)退行性疾病的主要治療手段是利用導電支架材料，有利于誘導干細胞分化成神經(jīng)元并提高其分化效率，并有助于移植細胞與宿主神經(jīng)系統的連接。在眾多的導電支架材料中，石墨烯材料以其優(yōu)異的導電性和生物相容性、獨特的拓撲結構獲得了廣泛關(guān)注。

　　2010年，程國勝團隊開(kāi)始研究石墨烯材料，并在2013年率先提出三維石墨烯神經(jīng)支架材料的概念。“我們結合微納加工技術(shù)，實(shí)現了石墨烯支架材料的精確可控制備，并對支架維度、拓撲結構、尺寸等因素對干細胞分化行為的影響進(jìn)行了深入研究，取得了系統性研究成果。”

　　程國勝團隊利用石墨烯支架材料模擬體內微環(huán)境的復雜性，構建神經(jīng)干細胞的生長(cháng)微環(huán)境，主要圍繞阿爾茨海默病這一神經(jīng)退行性疾病開(kāi)展研究。

　　阿爾茨海默病又稱(chēng)老年癡呆，患者主要表現為記憶、認知及語(yǔ)言障礙等精神癥狀，行動(dòng)不便、智力減退，生活不能自理，患者多為老年人，隨著(zhù)年齡增長(cháng)不斷惡化。這也是最常見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病。

　　程國勝團隊發(fā)現，“現有的導電支架體系中，大多數電刺激需要外接導線(xiàn)，且外接導線(xiàn)與支架連接可能需要使用導電性液體例如銀漿等。因此，外接導線(xiàn)和導線(xiàn)輔助材料在移植應用中會(huì )給患者造成感染和行動(dòng)不便的隱患”。

　　“石墨烯尺寸、形狀可根據需求調節生長(cháng)獲得。前期工作構建的材料通電均需要外接導線(xiàn)，還需要用銀漿將導線(xiàn)貼附在材料上。”程國勝說(shuō)，“如果能夠實(shí)現無(wú)線(xiàn)的電刺激，即可避免這些隱患。”

　　因此，程國勝團隊將石墨烯支架設計為圓環(huán)形以形成閉合環(huán)路，利用電磁感應原理，對導電線(xiàn)圈通交流電后，石墨烯圓環(huán)由于磁場(chǎng)的變化在環(huán)路內可產(chǎn)生感應電流，達到無(wú)線(xiàn)電刺激調控干細胞行為的目的。

　　走向臨床還有待時(shí)日 

　　“細胞膜上有多種離子通道，細胞膜電活動(dòng)是細胞膜內外離子的運動(dòng)而產(chǎn)生的電位差。”程國勝介紹，“當外界給予細胞電刺激，可改變細胞膜周?chē)姾煞植迹毎a(chǎn)生動(dòng)作電位，從而影響細胞行為。”

　　當前，用作生物材料的導電材料有導電碳材料、導電高分子材料等，各有各的優(yōu)勢，不同應用范圍可選不同的導電材料。

　　在石墨烯材料的實(shí)驗操作上，程國勝團隊利用化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯線(xiàn)圈，對石墨烯結構形貌進(jìn)行系統表征，優(yōu)化外部線(xiàn)圈電流與頻率，模擬出對大鼠存活無(wú)影響的電刺激條件，并進(jìn)一步通過(guò)無(wú)線(xiàn)電刺激提高神經(jīng)干細胞分化為神經(jīng)元的效率。

　　“這項成果從開(kāi)始研究到論文發(fā)表歷時(shí)3年，主要困難在于摸索并優(yōu)化電刺激條件。”程國勝說(shuō)，“研究成果既發(fā)揮石墨烯材料促進(jìn)神經(jīng)突起延長(cháng)的優(yōu)勢，又結合了無(wú)線(xiàn)電刺激對神經(jīng)突起生長(cháng)的促進(jìn)作用，降低移植損傷，為無(wú)線(xiàn)電刺激響應型支架材料調控細胞行為提供了新策略。”

　　他透露，石墨烯的生物可降解性以及移植操作性需要進(jìn)一步完善，團隊正將這一策略應用到其他三維導電材料，如在水凝膠材料中開(kāi)展系統研究，后期還需開(kāi)展深入的動(dòng)物實(shí)驗以及臨床前的技術(shù)評估。如進(jìn)展順利，有望在將來(lái)5～10年走向臨床應用。

　　程國勝也表示，如果將石墨烯材料應用到臨床移植導電支架材料，通電需要外接導線(xiàn)連接，傷口有導線(xiàn)外露則會(huì )有感染的風(fēng)險，有導線(xiàn)牽連也會(huì )帶來(lái)行動(dòng)的不便。目前的電刺激系統治療相關(guān)方案一是將電極材料植入，并將導線(xiàn)外層設計成可延伸的彈性絕緣材料，降低導線(xiàn)拉扯帶來(lái)的風(fēng)險；二是將電極、導線(xiàn)和皮下接收刺激器整體植入體內。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/adhm.202100027 

　　　《中國科學(xué)報》 (2021-08-13 第3版 醫藥健康)