石墨烯+无线电，调控神经干细胞

程国胜在实验室。（受访者供图）

阿尔兹海默病、帕金森病、亨廷顿舞蹈病等神经退行性疾病是当今世界的医学难题之一。随着科学技术的进步，这些疾病将有治愈的希望。

近年来，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员程国胜带领团队从石墨烯材料入手，为无线电刺激响应型支架材料调控细胞行为提供了新策略。相关研究成果日前发表于《先进医疗材料》（Advanced Healthcare Materials）。

调节干细胞分化

神经退行性疾病主要特点是神经元退化或死亡，导致神经系统功能障碍，进而影响运动和记忆能力。当前，干细胞治疗为神经退行性疾病的治疗提供了有效途径，通过诱导干细胞分化为神经元，修复或替代受损缺失的神经元，可促进缺失功能的恢复。

据了解，干细胞是一类具有自我更新能力和分化潜能的细胞。在一定条件下，干细胞可以分化成多种功能细胞或组织器官。通过对干细胞的培养以及定向诱导分化，使其分化成为功能性细胞，替换损伤缺失的功能细胞，从而治疗疾病。

“干细胞治疗作为一种新型治疗手段，被广泛应用多个领域。”程国胜告诉《中国科学报》，“目前已有的应用包括干细胞治疗受损关节，实现软骨再生；造血干细胞移植治疗骨髓疾病；注射来自诱导多能干细胞中提取的心肌细胞治疗心脏疾病等案例。

“直接注射干细胞会存在细胞存活率较低的缺陷，而且部分干细胞会流动至非目标区域而存在致瘤风险；直接移植分化干细胞方向不定，可能造成所需的功能性细胞数量较少。”程国胜介绍，通过细胞支架的移植能够解决干细胞在组织内流动和存活率低的问题，同时通过对细胞支架各种物理化学特性的调节实现对干细胞分化方向的调控。

程国胜团队在研究中发现，细胞电活动在早期神经元发育和迁移以及干细胞增殖和分化过程中起着至关重要的作用，通过电刺激可调节干细胞分化，能够实现神经突起的定向生长。

外接导线存在隐患

目前神经退行性疾病的主要治疗手段大多利用导电支架材料，有利于诱导干细胞分化成神经元并提高其分化效率，并有助于移植细胞与宿主神经系统的连接。在众多的导电支架材料中，石墨烯材料以其优异的导电性和生物相容性、独特的拓扑结构获得了广泛关注。

2010年，程国胜团队开始研究石墨烯材料，并在2013年率先提出三维石墨烯神经支架材料的概念。“我们结合微纳加工技术，实现了石墨烯支架材料的精确可控制备，并对支架维度、拓扑结构、尺寸等因素对干细胞分化行为的影响进行了深入研究，取得了系统性研究成果。”

程国胜团队利用石墨烯支架材料模拟体内微环境的复杂性，构建神经干细胞的生长微环境，主要围绕阿尔茨海默病这一神经退行性疾病开展研究。

阿尔兹海默病又称老年痴呆，患者主要表现为记忆、认知及语言障碍等精神症状，行动不便、智力减退，生活不能自理，患者多为老年人，随着年龄增长不断恶化。这也是最常见的神经退行性疾病。

程国胜团队发现：“现有的导电支架体系中，大多数电刺激需要外接导线，且外接导线与支架连接可能需要导电性液体例如银浆的使用。因此，外接导线和导线辅助材料会对移植应用造成感染和行动不便的隐患。”

“石墨烯尺寸、形状可根据需求调节生长获得。前期工作构建的材料通电均需要外接导线，并需要用银浆将导线贴附在材料上。”程国胜说，“如果能够实现无线的电刺激，即可避免这些隐患。”

因此，程国胜团队将石墨烯支架设计为圆环形即可形成闭合环路，利用电磁感应原理，对导电线圈通交流电后，石墨烯圆环由于磁场的变化产生感应电流在环路内可产生感应电流，达到无线电刺激调控干细胞行为的目的。

需要进一步完善

“细胞膜上有多种离子通道，细胞膜电活动是细胞膜内外离子的运动而产生的电位差。程国胜介绍，“当外界给予细胞电刺激，可改变细胞膜周围电荷分布，细胞产生动作电位，从而影响细胞行为。”

当前，用作生物材料的导电材料有导电碳材料、导电高分子等，各有各的优势，不同应用范围可选不同的导电材料。

在石墨烯材料的实验操作上，程国胜团队利用化学气相沉积法制备石墨烯线圈，对石墨烯结构形貌进行系统表征，优化外部线圈电流与频率，筛选出对大鼠存活无影响的电刺激条件，并进一步通过无线电刺激促进神经干细胞分化为神经元的效率。

“这项成果从开始研究到论文发表历时3年，主要困难在于摸索并优化电刺激条件。”程国胜说，“我们的研究成果既发挥石墨烯材料促进神经突起延长的优势，又结合了无线电刺激对神经突起生长的促进作用，降低移植损伤，为无线电刺激响应型支架材料调控细胞行为提供了新策略。

他透露，石墨烯的生物可降解性以及移植操作性需要进一步完善，团队正将这一策略应用到其他三维导电材料，如在水凝胶材料中开展系统研究，后期还需开展深入的动物实验以及临床前的技术评估。如进展顺利，有望在将来5～10年走向临床应用。

程国胜也表示，如果将石墨烯材料应用到临床移植导电支架材料后，通电需要外接导线连接，伤口有导线外露则会有感染的风险，有导线牵连着也会带来行动的不便。目前的电刺激系统的治疗相关方案一是将电极材料植入，并将导线外层设计成可延伸的弹性绝缘材料，降低导线拉扯带来的风险；二是将电极、导线和皮下接收刺激器整体植入体内的设计。

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adhm.202100027