組織工程中使用電刺激調節細胞行為 - 下

通過參與組織形成、組織再生和傷口愈合，定向細胞遷移和排列對再生醫學非常有益。調節細胞遷移和排列的能力將是再生醫學的寶貴資產。細胞排列和遷移的機制被認為是造成這些影響的原因，包括電壓門控離子通道、g蛋白偶聯受體、整合素、細胞極化和內源性電場。ES作為物理方法因其可以激活陰極或陽極附近細胞的特定信號通路，誘導細胞遷移和排列而備受關注。

電刺激對細胞排列的影響

許多方法都能夠通過外部因素誘導細胞遷移和排列，例如添加生物活性因子，提供單獨的表面模式，研究表明物理方法比所有其他技術更能引導細胞遷移和排列。ES對細胞排列有顯著的影響，它會使隨機細胞重新排列，隨著ES方向的改變，細胞排列的方向也會逐漸改變。有些類型的細胞垂直于電場矢量的方向排列，以最小化整個細胞的電場梯度。ES強度通常<10 V/cm，隨著ES強度的增加，細胞排列更好，但細胞活性相對降低。在100 mA單相ES存在時，成骨細胞的伸長和增殖主要依賴于ES，而地形特征起次要作用。

電刺激對細胞遷移的影響

細胞響應于ES的定向遷移被稱為電趨向性。ES對細胞遷移的引導作用也因細胞類型的不同而不同。ES極性的逆轉逆轉了細胞的遷移方向。ES強度可以刺激細胞從最小的0.1 V/cm遷移到最大的12 V/cm，并且不會對細胞造成任何明顯的損傷，不影響細胞表型或分化潛能。同時，隨著ES強度的增加，細胞的遷移速度和距離逐漸增加。

ES對細胞遷移的作用機制

導致電趨向性的具體機制尚不清楚。內源性微環境、離子通道、膜受體、轉運蛋白以及相互競爭的信號通路可能涉及多種因素。除了信號通路外，電壓門控Ca2+通道等離子通道也是ES過程中膜極化和細胞響應的重要組成部分。所有活細胞都有跨膜電位。電流通過離子通道和轉運體誘導離子(Na+、Cl?、K+、Ca2+等)的流動。

作為對ES的響應，細胞內分子和運輸通道發生極化，然后離子流發生并觸發細胞骨架變化，從而指導細胞遷移，因此，鈣內流有助于細胞持續向陰極遷移。

電刺激對細胞增殖的影響

適當的ES可以促進細胞增殖，通常在<1 V/cm的持續刺激下。在ES強度范圍內，細胞增殖率隨強度增加而增加。>100 V/cm的高強度ES也有利于細胞在短時間內(< 1 ms)的單次刺激中增殖，但過高的強度會導致細胞死亡。

電刺激對細胞分化的影響

基于細胞分化的治療為再生醫學提供了一條很有前途的途徑。短期(幾分鐘)、低強度(0.06~6 V/cm)ES可促進人誘導多能干細胞、肌肉前體細胞的心臟分化，形成胚狀體。

在大多數情況下，ES促進細胞增殖和分化，增強細胞陰極遷移和向場載體的對齊，主要通過EGFR、PI3K和Ca2+相關機制。ES可以通過金屬生物材料、導電聚合物或碳材料制成的組織工程支架來傳遞，主要方法有直接耦合、電容耦合和利用電磁場。在未來，特定材料/結構和ES的結合將比其他類型的刺激提供許多優勢，并允許精確的細胞調節。開發安全有效的隔板式支架與ES結合，能夠區分不同區域進行不同刺激，仍然需要克服一些挑戰。