[發明專利]一種利用聲流體誘導神經細胞和干細胞分化的方法

在審

• 申請號: 202010833901.4
• 申請日: 2020-08-18
• 公開（公告）號: CN112080491A
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發明（設計）人: 王艷艷;何珊;段學欣;龐慰
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C12N13/00
• 分類號: C12N13/00;C12N5/09;C12N5/079
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王麗

本發明涉及一種利用聲流體誘導神經細胞和干細胞分化的方法；利用能產生GHz波段特超聲的微納壓電體聲波諧振器產生的聲流體效應實現對神經細胞和干細胞的誘導分化。通過改變諧振器輸入功率以及諧振器與細胞間的距離，對聲流體強度進行調整。本發明的細胞可以在沒有外部藥物介入的情況下產生高效的分化；在聲流體刺激作用下，神經細胞和干細胞可以在幾分鐘內產生分化現象；基于微納壓電體聲波諧振器的微米尺寸，其產生的聲流體作用范圍與諧振器大小相匹配，因此可以通過縮小諧振器尺寸，縮小聲流體作用范圍，實現對單細胞的分化誘導?；谖⒓{壓電體聲波諧振器小尺寸易于集成的優勢，對該諧振器進行陣列化設計生產，可以實現誘導大范圍細胞分化。

技術領域

本發明涉及一種誘導神經細胞和干細胞分化的方法，特別地涉及一種在溶液中使用由微納壓電諧振器產生的聲流體效應實現誘導神經細胞和干細胞分化的方法。

背景技術

神經系統疾病，如阿茲海默癥、帕金森等，均是由神經元萎縮、神經連接斷裂等造成的神經系統損壞引起的。而干細胞更是具有多向分化的潛能，對組織器官的損傷和功能衰竭的治療上有著巨大潛力。故此，一種高效、便捷的方法調控神經細胞活動、促進干細胞分化再生變得極為重要。為了解決這個問題，電磁刺激、光基因學、聲學刺激等多種調控手段被提出。最早被提出并且已經應用于臨床治療中的調控手段便是電磁刺激。電休克療法是在上個世紀就已經出現的通過刺激神經回路進行疾病治療的臨床療法，隨著醫療手段的進步，電療法在臨床應用上也取得了很大進步，減少了醫療過程中的副作用以及病人的痛苦。近十年中，一些新的電磁學刺激療法逐漸進入大眾的視野，經顱磁刺激被批準用于重大抑郁癥的精神病臨床治療中，深部腦刺激被批準用于治療帕金森氏癥和其他神經系統疾病，這兩種刺激方法相比于電休克療法在刺激目標上有更強的針對性。但是由于電磁波頻率較低，造成刺激區域的分辨率的局限性，使得電磁刺激無法達到細胞級的定點調控。在使用光基因學的手段進行神經調控的前提，需要對目標神經進行基因植入，使其表達有光敏感基因，故此能在光照射的條件下實現對神經的刺激。這種方法目標性強，可以實現單細胞調控。但是基因植入使得整個治療周期變長，與此同時還需要侵入性外科手術將光纖植入，這限制了該方法的使用范圍，無法向大腦深層神經元傳遞激勵刺激，并且長期外源物質植也會引起發炎等副作用。

相較之下，聲學刺激是無創刺激，超聲容易通過完整的腦部骨組織和深層組織，聚焦在立方毫米量級的體積區域施加激勵，這對脊椎動物來說是尤其重要，因為避免了通過手術植入介質的過程。近十幾年中，超聲已被頻繁用于在體外或在幾種模式生物的腦內直接刺激神經元簇聲學刺激的方式也有很多種。使用比較廣泛的是利用低頻超聲結合微泡實現對神經細胞或者組織的刺激，通過微泡震動將超聲震動放大傳遞至受體，刺激細胞表面的機械敏感離子通道，從而達到神經調控的目的。聲表面波也在神經調控方面得到廣泛應用，并且其刺激效果在神經細胞以及模式生物上都得到有效驗證。

目前已有的神經調控方式，無創手段無法進行小區域聚焦，不利于實現特定位置細胞的刺激；而能實現小區域精確刺激的方式又要利用外科手術的手段將體外物質遞送至目標區域，造成人的排異反應以及發炎等一系列副作用。因此，一種無創、高效且可達到單細胞級聚焦的調控手段亟待提出，使其不僅可以實現有效的神經細胞、干細胞調控刺激，同時也可實現無創高精度治療。

發明內容

為了解決現有問題，能使以上問題得到改善，我們選取了微納壓電體聲波諧振器——基于標準的微納機電系統流程制造的超聲諧振器件在神經細胞、干細胞分化方面進行實驗探究。微納機電系統是尺寸在毫米甚至微米尺寸的獨立系統，主要以硅為主要材料，融合了光刻、腐蝕、微加工和精密機械加工等技術制造的電子機械器件。該器件具有體積小、質量輕、性能穩定并易于集成等優勢，并且在生化傳感、氣體傳感、微米尺寸粒子篩選等方面有著廣泛的應用潛力。我們選取的微納壓電體聲波諧振器可以產生頻率在GHz波段的特超聲，該超聲波在液體中傳播時能量會迅速衰減，驅動液體流動產生微渦旋；當液體微渦旋與固體表面接觸時，接觸面會受到由渦旋產生的機械壓力作用。