组织工程中使用电刺激调节细胞行为 - 下

通过参与组织形成、组织再生和伤口愈合，定向细胞迁移和排列对再生医学非常有益。调节细胞迁移和排列的能力将是再生医学的宝贵资产。细胞排列和迁移的机制被认为是造成这些影响的原因，包括电压门控离子通道、g蛋白偶联受体、整合素、细胞极化和内源性电场。ES作为物理方法因其可以激活阴极或阳极附近细胞的特定信号通路，诱导细胞迁移和排列而备受关注。

电刺激对细胞排列的影响

许多方法都能够通过外部因素诱导细胞迁移和排列，例如添加生物活性因子，提供单独的表面模式，研究表明物理方法比所有其他技术更能引导细胞迁移和排列。ES对细胞排列有显著的影响，它会使随机细胞重新排列，随着ES方向的改变，细胞排列的方向也会逐渐改变。有些类型的细胞垂直于电场矢量的方向排列，以最小化整个细胞的电场梯度。ES强度通常<10 V/cm，随着ES强度的增加，细胞排列更好，但细胞活性相对降低。在100 mA单相ES存在时，成骨细胞的伸长和增殖主要依赖于ES，而地形特征起次要作用。

电刺激对细胞迁移的影响

细胞响应于ES的定向迁移被称为电趋向性。ES对细胞迁移的引导作用也因细胞类型的不同而不同。ES极性的逆转逆转了细胞的迁移方向。ES强度可以刺激细胞从最小的0.1 V/cm迁移到最大的12 V/cm，并且不会对细胞造成任何明显的损伤，不影响细胞表型或分化潜能。同时，随着ES强度的增加，细胞的迁移速度和距离逐渐增加。

ES对细胞迁移的作用机制

导致电趋向性的具体机制尚不清楚。内源性微环境、离子通道、膜受体、转运蛋白以及相互竞争的信号通路可能涉及多种因素。除了信号通路外，电压门控Ca2+通道等离子通道也是ES过程中膜极化和细胞响应的重要组成部分。所有活细胞都有跨膜电位。电流通过离子通道和转运体诱导离子(Na+、Cl−、K+、Ca2+等)的流动。

作为对ES的响应，细胞内分子和运输通道发生极化，然后离子流发生并触发细胞骨架变化，从而指导细胞迁移，因此，钙内流有助于细胞持续向阴极迁移。

电刺激对细胞增殖的影响

适当的ES可以促进细胞增殖，通常在<1 V/cm的持续刺激下。在ES强度范围内，细胞增殖率随强度增加而增加。>100 V/cm的高强度ES也有利于细胞在短时间内(< 1 ms)的单次刺激中增殖，但过高的强度会导致细胞死亡。

电刺激对细胞分化的影响

基于细胞分化的治疗为再生医学提供了一条很有前途的途径。短期(几分钟)、低强度(0.06~6 V/cm)ES可促进人诱导多能干细胞、肌肉前体细胞的心脏分化，形成胚状体。

在大多数情况下，ES促进细胞增殖和分化，增强细胞阴极迁移和向场载体的对齐，主要通过EGFR、PI3K和Ca2+相关机制。ES可以通过金属生物材料、导电聚合物或碳材料制成的组织工程支架来传递，主要方法有直接耦合、电容耦合和利用电磁场。在未来，特定材料/结构和ES的结合将比其他类型的刺激提供许多优势，并允许精确的细胞调节。开发安全有效的隔板式支架与ES结合，能够区分不同区域进行不同刺激，仍然需要克服一些挑战。