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                新闻

                欧阳宏伟课题组开发音乐ζ 培养皿,让细胞“闻乐起舞”,有效成骨

                编辑:林海燕 来源:基础医学系 时间:2022年03月02日 访问次数:75  源地址

                拉伸刺激存在于肺、心脏、脑和骨骼『等各种组织中,且对细胞命运调控和组织损伤修复都有重要作用。其中,骨组织中的拉伸在临床应用中最受关注。骨组织在生理活动过程中不断受到拉伸刺激;骨组织的结构和功能依赖于适量的拉伸刺激,而缺乏锻炼会导致骨量减少和骨质疏松。在生理条件下,骨组织会受到变频的微拉伸。

                       然而,尽管对于拉伸刺激的影响已被大量研究,但大多数都集中在恒频的高幅度拉伸上,这与在骨组织的体内情况相去甚远。其次,目前的商业化装置无法有效地产生类似于骨组织体内情╲况的变频微拉伸。因此,仿生变频微拉伸的生物学效应仍有待研究。

                       在此背景下,彩神大发app下载基础医学院欧阳宏伟课题组开发了一款音乐培养皿,首▲次利用音乐信号到机械信号的转变,实现变频微拉伸对干细胞命运的调控,发现相比于恒定的拉伸刺△激,变频微拉伸能有效促进细胞的骨向分化。此研究于20221月以“Musical dish” efficiently induces osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells through music derived micro-stretch with variable frequency为题在线发表于生物医学工程转↑化研究期刊Bioengineering & Translational Medicine


                图1 本研究概要示意图

                首先,本研究利用介电弹性体致动器制备了响应快速、光学透明和拉伸可控的音乐培养皿(图2)。该音乐培养皿能够将音乐信号转换为电信号,然后通过柔性介电弹性体膜将电信号进一步转换为机械信号。音乐培养皿具有稳定的拉伸启动性能,且中心区域的拉伸具有同质性和等轴性(图2、图3)。


                图2-3 音乐培↓养皿的制备和拉伸性能

                然后,本研究将细胞接种于音乐培养皿的中心区域,细胞增殖正常,且随着施加电压的增大,细胞①能够随之移动(图4)。在施加1千伏的电压时,音乐培养皿的拉伸幅度为0.850%,与体内骨组织情况♀相近。在音乐信号的控制下,拉伸幅度在0.833%-0.867%之间,拉伸频率在0-20000Hz之间(图5)。


                图 4-5 音乐培养皿用于细胞∴培养

                接着,本研究将细胞置于无拉伸、恒定微拉伸(1千伏电压)和变频〖微拉伸(1千伏电压加音乐信号)的条件下。结果显示,在三种刺激条件下,尽管细胞形态没有显示任何改变,变频微拉伸组中的细胞形成了更多应力纤维(图5)。

                最后,转录组测序显示变频微拉伸处理后细胞的成骨分化相关GO显著上调(图6)。实验证明,在变频微拉伸组中,细胞骨相关基因的相对表达量显著增高,而与干性和其他谱系相关基因的表达量降低。除此,在骨诱导分化的培ω养条件下,变频微拉伸组中的细胞表现出更强的分化能力(图7)。


                图 6-7 音乐培养皿对细胞命运的调控(促进细胞骨向分化)

                综上,本研究开发了一款 “音乐培养皿”装置,通过将音乐※信号转换为机械信号,从而将任意频率的拉伸刺激作用于细胞。相比于恒定的拉伸,与体内骨组织类似的变频微拉伸增强了细胞的骨分化潜能】。

                本研究有望通过三种策略开发潜在的骨再生治疗方法。首先,变频微拉伸由于其在促进成骨分」化方面的优异性能,可与临床的牵张成骨手术结合,促进骨愈合。其次,音乐培养皿可以进一步发展为促进骨骼愈合的康复装置。最后,音乐培养皿可以作为细胞扩增生物反应器,产生高效成骨分化的细胞,通过移植促进骨修复。因此,本研究开发的拉伸新模式和新装置都具有巨大的临床应用潜力。

                该研究第一作者为浙大-爱丁堡大学联合学院博士生何秋琳。浙大-爱丁堡大学联合学院博士后林俊鑫,彩神大发app下载工程力学系博士生周方浩为共●同一作。通讯作者为彩神大发app下载基础医学院欧阳宏伟教授。彩神大发app下载医学院附属第四医院姚旭东研究员和彩神大发app下载〓工程力学系李铁风教授为共同通讯。本文得到国家重『点研究发展计划(2017YFA0104900)和国家自然科学基金(31830029)的资助。

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