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        石墨烯及其衍生物調控神經干細胞命運的研究進展

        石墨烯及其衍生物調控神經干細胞命運的研究進展

        • 分類:新聞資訊
        • 作者:
        • 來源:
        • 發布時間:2024-02-06
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        【概要描述】

        石墨烯及其衍生物調控神經干細胞命運的研究進展

        【概要描述】

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        • 作者:
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        • 發布時間:2024-02-06
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               石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的六邊形呈蜂巢狀排列的二維碳納米材料 [ 1 ] 。英國曼徹斯特大學物理學家Andre Geim和Константин Новосёлов通過機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯而獲得2010年諾貝爾物理學獎。過去,石墨烯因為其優異的機械、導電、光學特性,被廣泛應用于電子和化學領域。從氧化石墨中提取出的氧化石墨烯獨特的理化性質被認為是一種很有前景的可應用于生物醫學領域的材料。與石墨烯相比,氧化石墨烯具有含氧官能團,可以修飾石墨烯的化學性質,例如增加其親水性(羥基、羧基等)等。近年來,石墨烯及其衍生物在生物醫學領域的應用越來越廣泛 [ 2 ] ,例如生物傳感器 [ 3 ] (作為眼科電生理檢查的電極)、組織工程 [ 4 , 5 ] (作為人工角膜的材料)、圖像傳感器 [ 6 ] (例如人工視網膜)、基因轉染 [ 7 , 8 ] 、藥物遞送系統 [ 9 , 10 , 11 ] (作為治療脈絡膜黑色素瘤靶向藥的遞送系統、遞送抗血管內皮生長因子藥物治療年齡相關性黃斑變性等)、癌癥治療 [ 12 ] 、細胞培養 [ 13 , 14 ] 等。目前越來越多的研究表明石墨烯及其衍生物是良好的作為細胞培養基板的納米平臺,可以促進胚胎干細胞、神經干細胞(neural stem cells,NSC)、間充質干細胞等多能細胞的黏附、增殖、分化等 [ 15 ] 。在過去,神經退行性疾病一直是醫療界的難題,近年來NSC移植有望為治療神經退行性疾病提供新的方法 [ 16 ] ,因此對NSC的調控就顯得尤為重要。因此,本文將著重闡述石墨烯及其衍生物對NSC增殖分化的影響。

         

        一、石墨烯和氧化石墨烯的制備

         

        1.石墨烯:最早的方法是通過透明膠帶從石墨結晶機械剝離出石墨烯,這種方法可以剝離出高質量的石墨烯,但是不適合大規模合成 [ 17 ] 。其他的方法還有化學剝離法 [ 18 ] 、外延石墨烯生長法、化學氣相沉積法 [ 19 , 20 ] 和直接有機合成法 [ 21 ] 。其中,化學氣相沉積法在大規模高質量生產上最有優勢,可以大規模制備石墨烯 [ 22 ] 。

         

        2.氧化石墨烯:目前最廣泛使用的氧化石墨烯制作方法是Hummers法:先通過高錳酸鉀和硫酸對石墨進行氧化,從而獲得氧化石墨作為提取原料,然后通過聲波降解法在溶劑中提取氧化石墨烯 [ 18 ] 。氧化石墨烯制備方法簡單、成本低廉、轉移途徑高效(可以旋涂或噴涂到幾乎任何基板表面,例如可以包被在角膜接觸鏡表面,有降低電磁干擾、減少水分蒸發等作用 [ 23 ] ),并且具有獨特的物理化學特性(良好的導電性以及擴展性、攜帶官能團(羥基等)的能力、可調節的微觀拓撲結構等),因此在生物醫學領域的應用越來越廣泛。

         

        二、石墨烯及其衍生物對NSC黏附和增殖的影響

         

               細胞生存的微環境可以顯著影響細胞的行為。微米級的材料和細胞大小相當,可以影響細胞級單位的活動,對整個細胞產生接觸引導作用。早在1911年,接觸引導現象就已被觀察到 [ 24 ] ,并在隨后得到了證實 [ 25 ] 。而比微米尺度低幾個數量級的納米材料對細胞的影響更為復雜,納米材料的尺寸和各種細胞受體相當,可能會影響受體介導的通路而影響細胞,進而影響細胞的黏附 [ 26 ] 。細胞表面的絲狀偽足可以感知它周圍的納米拓撲結構,從而受到納米材料的影響,這也是納米材料影響細胞活動的基礎。Kim等 [ 27 ] 通過用氧化石墨烯納米顆粒對人胚胎NSC進行干預,發現5 μg/ml的氧化石墨烯不但沒有細胞毒性,還能夠加強細胞間和細胞與培養基板間的相互作用,并增加E鈣黏蛋白和N鈣黏蛋白的表達,這兩種蛋白都和細胞黏附相關。此研究是以帶羧基(-COOH)的氧化石墨烯為基礎的,與傳統石墨烯相比,氧化石墨烯所帶有的官能團賦予了其更有利于細胞生長的物化性質,例如親水基團[羧基(-COOH)、羥基(-OH)]加強了材料的親水性,可以通過靜電相互作用加強培養液中血清蛋白的吸收 [ 28 ] 。Ma等 [ 29 ] 探究了軟硬不同的兩種三維石墨烯支架對小鼠NSC的影響,發現與較軟的材料相比,較硬的材料上培養的細胞對黏著斑蛋白(vinculin)和整合素(intergrins)的表達提高,前者是和局部黏附有關的有促進增殖作用的細胞骨架蛋白,后者是和細胞與基板連接有關的跨膜受體,這兩者的表達上調證明較硬的石墨烯支架可以更好地促進細胞的黏附和增殖。Fang等 [ 30 ] 發現當NSC生長在三維石墨烯支架上時,Ki67表達明顯提高,并且通過代謝組學的方法證明了三維石墨烯支架促進了NSC的增殖。因此,通過修飾官能團和調整空間結構等方法可以促進NSC黏附和增殖。

         

        三、石墨烯及其衍生物對NSC分化的調控

         

        1.微觀拓撲結構對分化的影響:培養基板的微觀拓撲結構可以影響細胞分化的方向。早在1999年,Flemming等 [ 31 ] 指出培養板的微觀拓撲結構(如凹槽等)可對細胞產生影響。2007年,Yim等 [ 32 ] 用合成的線性排列的納米材料增強了間充質干細胞(mesenchymal stem cells,MSC)向神經元的分化,說明干細胞受所生長的微觀環境的調控。由于神經元接近于線性結構,因此線性排列的拓撲結構有利于干細胞向神經元的分化。2012年,Wang等 [ 33 ] 證實了線性排列的氟化石墨烯可以促進間充質干細胞分化為神經元。通過靜電紡絲的方法,Qing等 [ 34 ] 將熱還原的氧化石墨烯分別包被到隨機排列和線性排列的絲素表面,以研究SH-SY5Y(人神經母細胞瘤細胞)細胞的生長情況。研究發現,與隨機排列組相比,線性排列組的細胞有明顯的線性生長的特性,種子細胞分化為神經元的比例顯著升高;且與普通的細胞培養板相比,線性排列組的細胞分化為神經元的比例更高且軸突更長。Yang等 [ 35 ] 通過光蝕刻法制作寬度不同的石墨烯氧化物凹槽來研究其對NSC的影響,結果表明:當凹槽寬度為5 μm時,石墨烯氧化物對細胞增殖和分化為神經元的促進最佳。因此微觀拓撲結構對NSC分化的影響十分顯著,無論是微凹槽拓撲結構、線性排列拓撲結構、或者添加線性屏障,都能促進NSC向神經元的分化,而石墨烯及其衍生物則可以通過各種方法實現這一目標。

         

        2.石墨烯衍生物的導電性對分化的影響:與傳統導電材料相比,石墨烯衍生物具有更好的導電性,這一特性對神經源性細胞具有獨特的影響。近年來已經有研究表明,對NSC進行額外的電刺激可以促進其增殖、遷移和分化 [ 36 , 37 , 38 , 39 , 40 , 41 ] 。Yan等 [ 42 ] 在聚吡咯-石墨烯復合線性納米材料上培養小鼠神經節細胞并施以電刺激,與對照組相比,觀察到經過電刺激的神經節細胞軸突變長,且濃度在6%最合適,同時證明了電刺激和線性排列這兩個因素都可促進軸突伸長,且沒有顯著的細胞毒性。青光眼的病理改變主要為視網膜神經纖維層的萎縮,而神經纖維層正是由神經節細胞的軸突組成。具有良好導電性和線型排列的石墨烯衍生物,可為今后中晚期青光眼的治療提供一定的思路。Guo等 [ 43 ] 發現石墨烯可以通過影響細胞膜的動作電位和靜息電位(靜息狀態時超極化,可以上調TREK-1通道,提高產生動作電位的概率)來加速NSC和其子細胞的成熟,說明除電刺激之外,就其本身的導電性而言,石墨烯是一種適合神經細胞生長的基板。Fu等 [ 44 ] 證明了左旋乳酸/氧化石墨烯復合膜和電刺激都可以促進NSC向神經元分化并且促進神經元軸突的延長。

         

        3.石墨烯及其衍生物的彈力模量對NSC分化的影響:2006年,Engler等 [ 45 ] 發現細胞生存基板的彈性模量能影響干細胞的分化方向:首先,在分子層面,細胞內需要一個“機械傳感器”,它能將細胞與基板的相互作用力生成一個信號作用在細胞內,而非肌源性肌球蛋白Ⅱ亞型家族就是這個“機械傳感器”。在此理論基礎之上,Engler等將間充質干細胞分別培養在彈性模量為0.1~1(接近大腦)、8~17(接近橫紋?。?、25~40 kPa(接近類骨質的交聯膠原)的3種基板上,在上述3種材料上間充質干細胞分別分化為神經組織性細胞、肌源性細胞、成骨性細胞,并且細胞形態、相關RNA檢測結果、免疫熒光染色相互印證,這種特異性的分化比添加誘導成分的選擇性更強,而如果抑制了非肌源性肌球蛋白Ⅱ亞型家族的ATP酶活性,這種選擇性分化將不復存在。不僅如此,研究還發現,在更硬的材料上培養的間充質干細胞局部黏附相關的成分(細絲蛋白、黏著斑激酶、絡氨酸激酶等)的表達也隨之提高,并且其中非肌源性肌球蛋白Ⅱ亞型家族的活性也更強,正是此類蛋白活性的提高促進了細胞的黏附,這也印證了前文所提到的更硬的材料促進細胞黏附的結論。而由于石墨烯衍生物納米材料的獨特性質,彈力模量可以通過修飾進行調整,Ma等 [ 29 ] 通過用軟硬兩種彈性模量的三維石墨烯材料培養NSC,發現在較硬的石墨烯材料上細胞的黏附、生長上有一定優勢;在分化方面,硬石墨烯支架容易促使NSC分化為星形膠質細胞,而軟石墨烯支架更容易促進NSC分化為神經元。Guo等 [ 46 ] 通過將細菌培養在三維石墨烯支架上得到三維細菌源性纖維素/石墨烯復合體,這種復合物的彈力模量更接近軟組織,在相同的分化條件下,生長在該支架上的NSC更容易分化成神經元且形成的軸突更長。

         

               近年來,石墨烯及其衍生物因為其獨特的物化性質,成為了生物醫學界的“新寵”,它可以通過促進黏附、促進向神經元的定向分化來影響NSC的命運,從而為治療神經退行性疾病提供了新的前景和方向。但是,目前大部分研究都還停留在體外階段,如何將其應用在臨床疾病的治療上仍是一個難題。石墨烯材料在眼科的多個方向已實現臨床應用,如角膜接觸鏡、人工角膜、脈絡膜黑色素瘤、人工視網膜等,但是石墨烯對干細胞的調控在眼科領域還缺少研究。石墨烯對NSC命運的調控為青光眼等不可逆視神經萎縮疾病提供了治療和研究的方向;相信通過特定設計的石墨烯材料對視網膜祖細胞和角膜緣干細胞等的分化在未來也能進行定向調控。最后,希望通過本文為眼科相關干細胞分化的調控和相關疾病的治療獲取新思路提供幫助。

         

        信息來源:眼科空間

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