生物電子微流控平臺(tái)，用于直流電刺激下受傷細(xì)胞群傷口愈合機(jī)制研究

對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說，傷口只是一種小麻煩，無(wú)需太多有意識(shí)的努力就能自行愈合。然而，對(duì)于患有某些慢性疾病（例如糖尿病、外周血管疾病）、免疫系統(tǒng)受損（例如系統(tǒng)性紅斑狼瘡），甚至具有營(yíng)養(yǎng)不良和衰老等常見系統(tǒng)性病理/生理狀態(tài)的人來(lái)說，急性傷口更容易發(fā)展為慢性傷口。事實(shí)上，慢性傷口的高患病率已造成了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)（約占發(fā)達(dá)國(guó)家醫(yī)療保健總支出的1%~3%，并且隨著人口中位年齡的增長(zhǎng)而增加），并給患者帶來(lái)了切實(shí)的痛苦。因此，迫切需要可以促進(jìn)這些患者群體更快康復(fù)的策略。傷口的愈合過程通常分為四個(gè)連續(xù)而且相互重疊的階段：止血、炎癥、生長(zhǎng)和成熟。這些并發(fā)階段涉及許多細(xì)胞類型（按通常的出現(xiàn)順序列示）：活化的血小板、中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、肥大細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、T細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞、造血干細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、肌成纖維細(xì)胞、黑色素細(xì)胞和角質(zhì)形成細(xì)胞。在傷口愈合過程中，這些類型的細(xì)胞會(huì)被募集和遷移到傷口部位，無(wú)論它們是靠近傷口部位還是必須通過循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)距離移動(dòng)。

化學(xué)梯度、機(jī)械梯度和電梯度（即分別被稱為趨化性、趨觸性/趨硬性和趨電性的過程）都有助于將上述細(xì)胞募集或引導(dǎo)至傷口。值得注意的是，趨電性是指細(xì)胞在電場(chǎng)（EF）作用下遷移的能力。中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和角質(zhì)形成細(xì)胞都被證明是具有趨電性的。有趣的是，當(dāng)皮膚的上皮層破裂時(shí)，傷口周圍會(huì)自然形成小的電場(chǎng)。這種自然形成的（即內(nèi)源性）電場(chǎng)的強(qiáng)度存在很大的個(gè)體差異，這取決于患者的系統(tǒng)性特質(zhì)（例如年齡、患病情況）。結(jié)合大多數(shù)皮膚細(xì)胞表現(xiàn)出趨電性這一事實(shí)，傷口周圍這些內(nèi)源性電場(chǎng)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了這樣的假設(shè)，即電信號(hào)對(duì)于傷口愈合中的細(xì)胞遷移過程至關(guān)重要。

角質(zhì)形成細(xì)胞是皮膚中最普遍的細(xì)胞類型，其密集堆積在任何給定的側(cè)向?qū)觾?nèi)，并且也緊密排列在垂直層（即分層）中。在垂直層中，越靠近最外層的頂端層，角質(zhì)形成細(xì)胞就越分化。在皮膚以及融合培養(yǎng)的細(xì)胞層中，角質(zhì)形成細(xì)胞作為一個(gè)整體遷移。以往關(guān)于皮膚細(xì)胞趨電性的體外研究通常集中在單個(gè)細(xì)胞上，因此忽略了實(shí)際皮膚中細(xì)胞的復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)對(duì)遷移行為的影響。然而，集體細(xì)胞遷移更能代表角質(zhì)形成細(xì)胞等細(xì)胞類型的體內(nèi)細(xì)胞動(dòng)力學(xué)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，德國(guó)弗萊堡大學(xué)（University of Freiburg）、呂勒奧理工大學(xué)（Lule? University of Technology）以及查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology）的研究人員于Lab on Chip期刊共同發(fā)表了題為“Bioelectronic microfluidic wound healing: a platform for investigating direct current stimulation of injured cell collectives”的論文。該工作旨在實(shí)現(xiàn)以下三重研究目標(biāo)：（a）探索電引導(dǎo)信號(hào)（電場(chǎng)分布）對(duì)傷口愈合率的影響；（b）演示在沒有通常需要的鹽橋的情況下，如何實(shí)現(xiàn)非金屬直流（DC）刺激電極材料的穩(wěn)定性和細(xì)胞安全性；（c）建立糖尿病傷口模型以檢驗(yàn)電刺激究竟是可以改善還是會(huì)惡化傷口的愈合動(dòng)力學(xué)。

為了實(shí)現(xiàn)以上的研究目標(biāo)，研究人員利用微流控平臺(tái)開展了“經(jīng)典”劃痕實(shí)驗(yàn)，以探索電場(chǎng)刺激加速傷口修復(fù)的參數(shù)空間。該研究分析了多種微流控模型，以確定能夠最好地模擬標(biāo)準(zhǔn)劃痕實(shí)驗(yàn)，同時(shí)具有微流控平臺(tái)提供的優(yōu)越實(shí)驗(yàn)控制的設(shè)計(jì)。直流兼容電極材料是體外電場(chǎng)刺激的關(guān)鍵要素，并且對(duì)臨床轉(zhuǎn)化至關(guān)重要。在該項(xiàng)研究中，研究人員制備了基于激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）和PEDOT:PSS水凝膠的電極，并將其集成在微流控平臺(tái)內(nèi)，該電極能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)數(shù)小時(shí)的直流刺激。利用這種芯片上的傷口環(huán)境，該研究可以利用健康細(xì)胞以及模擬糖尿病角質(zhì)形成細(xì)胞的培養(yǎng)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)電刺激加速傷口愈合概念的探索。相關(guān)研究結(jié)果表明，電場(chǎng)刺激可有效加速健康細(xì)胞的傷口愈合，并且可以恢復(fù)受損的糖尿病樣細(xì)胞的活動(dòng)能力。

圖1 傷口周圍有不同電場(chǎng)（EF）分布的微流控平臺(tái)

為了可重復(fù)地產(chǎn)生趨電性行為，使趨電效應(yīng)與其他可能的干擾解耦是必要的。例如，電極-電解質(zhì)界面的法拉第反應(yīng)可以誘導(dǎo)氧化還原反應(yīng)，從而導(dǎo)致陽(yáng)極的pH值降低（即H+增加）和陰極的pH值上升（即H+減少）。由于之前的研究明確指出pH值是趨電性的決定因素，并且由于微流控腔室內(nèi)的密閉環(huán)境導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)這種變化更加敏感，因此，該研究明確驗(yàn)證了直流刺激下微流控平臺(tái)內(nèi)pH值的穩(wěn)定性。此外，通過液阻（即微通道）施加直流電流的另一種可能的干擾是焦耳加熱效應(yīng)可以增加細(xì)胞的新陳代謝，并使得細(xì)胞更快地遷移。因此，研究人員對(duì)該影響因素也進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。研究結(jié)果表明，在該微流控平臺(tái)上利用直流電流對(duì)細(xì)胞進(jìn)行12小時(shí)的電刺激，細(xì)胞不會(huì)受到電化學(xué)誘導(dǎo)的法拉第反應(yīng)和熱誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡的影響。

圖2 測(cè)量由于直流（DC）電流刺激引起的pH值變化

接著，研究人員比較了電刺激傷口邊緣的一端（即單向電場(chǎng)）是否與交替極化傷口邊緣的兩端（即偽收斂電場(chǎng)）一樣可以有效實(shí)現(xiàn)傷口的愈合。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與未受電刺激的對(duì)照組相比，單向電引導(dǎo)信號(hào)將健康和糖尿病樣角質(zhì)形成細(xì)胞群的傷口愈合率提高了近三倍，從而在群體角質(zhì)形成細(xì)胞愈合動(dòng)力學(xué)方面具有優(yōu)勢(shì)。此外，在單向電刺激下，活動(dòng)抑制和糖尿病樣角質(zhì)形成細(xì)胞的傷口愈合率（從1.0%/h增加到2.8%/h）恢復(fù)到了與健康的未受電刺激的角質(zhì)形成細(xì)胞（3.5%/h）相當(dāng)?shù)乃?。因此，該研究結(jié)果證明，以可控方式進(jìn)行的電刺激可能是加速傷口修復(fù)的可行途徑，也為其他研究人員開發(fā)最優(yōu)的用于體內(nèi)直流刺激的電極提供了參考。

圖3 健康角質(zhì)形成細(xì)胞的生物電子傷口愈合實(shí)驗(yàn)表明刺激后傷口可以更快愈合

圖4 抑制角質(zhì)形成細(xì)胞活性會(huì)減緩細(xì)胞遷移，而直流電刺激有助于恢復(fù)這種失去的活動(dòng)能力 論文鏈接： https://doi.org/10.1039/D2LC01045C

審核編輯 ：李倩