生物电子微流控平台，用于直流电刺激下受伤细胞群伤口愈合机制研究

对于大多数人来说，伤口只是一种小麻烦，无需太多有意识的努力就能自行愈合。然而，对于患有某些慢性疾病（例如糖尿病、外周血管疾病）、免疫系统受损（例如系统性红斑狼疮），甚至具有营养不良和衰老等常见系统性病理/生理状态的人来说，急性伤口更容易发展为慢性伤口。事实上，慢性伤口的高患病率已造成了巨大的社会经济负担（约占发达国家医疗保健总支出的1%~3%，并且随着人口中位年龄的增长而增加），并给患者带来了切实的痛苦。因此，迫切需要可以促进这些患者群体更快康复的策略。伤口的愈合过程通常分为四个连续而且相互重叠的阶段：止血、炎症、生长和成熟。这些并发阶段涉及许多细胞类型（按通常的出现顺序列示）：活化的血小板、中性粒细胞、单核细胞、巨噬细胞、肥大细胞、树突状细胞、T细胞、内皮细胞、周细胞、造血干细胞、成纤维细胞、肌成纤维细胞、黑色素细胞和角质形成细胞。在伤口愈合过程中，这些类型的细胞会被募集和迁移到伤口部位，无论它们是靠近伤口部位还是必须通过循环系统进行长距离移动。

化学梯度、机械梯度和电梯度（即分别被称为趋化性、趋触性/趋硬性和趋电性的过程）都有助于将上述细胞募集或引导至伤口。值得注意的是，趋电性是指细胞在电场（EF）作用下迁移的能力。中性粒细胞、单核细胞、淋巴细胞、巨噬细胞、内皮细胞、成纤维细胞和角质形成细胞都被证明是具有趋电性的。有趣的是，当皮肤的上皮层破裂时，伤口周围会自然形成小的电场。这种自然形成的（即内源性）电场的强度存在很大的个体差异，这取决于患者的系统性特质（例如年龄、患病情况）。结合大多数皮肤细胞表现出趋电性这一事实，伤口周围这些内源性电场的发现引发了这样的假设，即电信号对于伤口愈合中的细胞迁移过程至关重要。

角质形成细胞是皮肤中最普遍的细胞类型，其密集堆积在任何给定的侧向层内，并且也紧密排列在垂直层（即分层）中。在垂直层中，越靠近最外层的顶端层，角质形成细胞就越分化。在皮肤以及融合培养的细胞层中，角质形成细胞作为一个整体迁移。以往关于皮肤细胞趋电性的体外研究通常集中在单个细胞上，因此忽略了实际皮肤中细胞的复杂组织结构对迁移行为的影响。然而，集体细胞迁移更能代表角质形成细胞等细胞类型的体内细胞动力学。

据麦姆斯咨询报道，近期，德国弗莱堡大学（University of Freiburg）、吕勒奥理工大学（Luleå University of Technology）以及查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）的研究人员于Lab on Chip期刊共同发表了题为“Bioelectronic microfluidic wound healing: a platform for investigating direct current stimulation of injured cell collectives”的论文。该工作旨在实现以下三重研究目标：（a）探索电引导信号（电场分布）对伤口愈合率的影响；（b）演示在没有通常需要的盐桥的情况下，如何实现非金属直流（DC）刺激电极材料的稳定性和细胞安全性；（c）建立糖尿病伤口模型以检验电刺激究竟是可以改善还是会恶化伤口的愈合动力学。

为了实现以上的研究目标，研究人员利用微流控平台开展了“经典”划痕实验，以探索电场刺激加速伤口修复的参数空间。该研究分析了多种微流控模型，以确定能够最好地模拟标准划痕实验，同时具有微流控平台提供的优越实验控制的设计。直流兼容电极材料是体外电场刺激的关键要素，并且对临床转化至关重要。在该项研究中，研究人员制备了基于激光诱导石墨烯（LIG）和PEDOT:PSS水凝胶的电极，并将其集成在微流控平台内，该电极能够实现持续数小时的直流刺激。利用这种芯片上的伤口环境，该研究可以利用健康细胞以及模拟糖尿病角质形成细胞的培养模型，实现对电刺激加速伤口愈合概念的探索。相关研究结果表明，电场刺激可有效加速健康细胞的伤口愈合，并且可以恢复受损的糖尿病样细胞的活动能力。

图1 伤口周围有不同电场（EF）分布的微流控平台  

为了可重复地产生趋电性行为，使趋电效应与其他可能的干扰解耦是必要的。例如，电极-电解质界面的法拉第反应可以诱导氧化还原反应，从而导致阳极的pH值降低（即H+增加）和阴极的pH值上升（即H+减少）。由于之前的研究明确指出pH值是趋电性的决定因素，并且由于微流控腔室内的密闭环境导致系统对这种变化更加敏感，因此，该研究明确验证了直流刺激下微流控平台内pH值的稳定性。此外，通过液阻（即微通道）施加直流电流的另一种可能的干扰是焦耳加热效应可以增加细胞的新陈代谢，并使得细胞更快地迁移。因此，研究人员对该影响因素也进行了进一步的研究。研究结果表明，在该微流控平台上利用直流电流对细胞进行12小时的电刺激，细胞不会受到电化学诱导的法拉第反应和热诱导的细胞凋亡的影响。

图2 测量由于直流（DC）电流刺激引起的pH值变化  

接着，研究人员比较了电刺激伤口边缘的一端（即单向电场）是否与交替极化伤口边缘的两端（即伪收敛电场）一样可以有效实现伤口的愈合。研究结果发现，与未受电刺激的对照组相比，单向电引导信号将健康和糖尿病样角质形成细胞群的伤口愈合率提高了近三倍，从而在群体角质形成细胞愈合动力学方面具有优势。此外，在单向电刺激下，活动抑制和糖尿病样角质形成细胞的伤口愈合率（从1.0%/h增加到2.8%/h）恢复到了与健康的未受电刺激的角质形成细胞（3.5%/h）相当的水平。因此，该研究结果证明，以可控方式进行的电刺激可能是加速伤口修复的可行途径，也为其他研究人员开发最优的用于体内直流刺激的电极提供了参考。

图3 健康角质形成细胞的生物电子伤口愈合实验表明刺激后伤口可以更快愈合  

图4 抑制角质形成细胞活性会减缓细胞迁移，而直流电刺激有助于恢复这种失去的活动能力   论文链接： https://doi.org/10.1039/D2LC01045C    

审核编辑 ：李倩