欧阳宏伟课题组开发音乐培养皿，让细胞“闻乐起舞”，有效成骨
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，浙江大学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2022年1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，浙江大学工程力学系博士生周方浩为共同一作。通讯作者为浙江大学基础医学院欧阳宏伟教授。浙江大学医学院附属第四医院姚旭东研究员和浙江大学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。
本文转载自微信公众号【浙大组织工程与再生医学610Lab】