微纳尺度的拓扑结构及电场刺激对神经干细胞自我更新与定向分化的调控

神经干细胞能自我更新并分化为神经元样细胞及胶质细胞，可被用于神经系统病变及损伤性治疗。处于体内三维环境中的神经干细胞的更新与分化受多种因素的调控，如何人为调控其自我更新与定向分化成为了目前科学界及医学界的难题。最近的一些研究表明，干细胞微环境中的物理因素能影响干细胞更新分化等功能，这给组织工程与再生医学带来了很大的机遇，但相关的研究还不够深入，特别是在神经干细胞上的研究还鲜见于报道。本项目拟采用微纳加工技术，制备碳基与硅基微纳拓扑结构的神经干细胞培养衬底，同时在此微纳结构衬底上施加电场刺激，可控构建神经干细胞的物理微环境，研究其对神经干细胞自我更新与定向分化的调控机理。本项目试图揭示微纳尺度上的电场力场等物理外场作用下神经干细胞自我更新与定向分化的规律，优化筛选目的拓扑结构衬底及合适的电场刺激模式，为将来微纳芯片参与基于神经干细胞的组织工程与再生医学提供理论依据。

经过本项目三年的实施，我们系统地研究了硅基碳基材料拓扑结构与电场刺激对神经干细胞自我更新与定向分化的调控规律。首先采用微纳加工工艺在硅基材料上制备了各种异向及尺度的拓扑结构，同时采用化学气相沉积法制备了带无序拓扑结构的碳基材料石墨烯衬底。对此两种衬底进行一系列的表面修饰和灭菌等后处理过程，建立了其适宜神经干细胞培养的标准化流程。进一步的实验表明此两种拓扑结构的衬底上神经干细胞粘附、存活良好。更重要的是，我们研究了衬底的拓扑结构对神经干细胞自我更新与定向分化的调控规律。结果表明硅基衬底上的有序的拓扑结构抑制了干细胞的增殖，其线性和类线性结构促进了干细胞向神经元分化；而碳基衬底上无序的拓扑结构促进了干细胞的增殖，其类线性结构也促进了干细胞向神经元分化。并且，拓扑结构的尺寸能决定神经干细胞定向分化的程度。在碳基拓扑结构衬底的基础上，利用其优良的导电性，我们构建了干细胞电刺激元器件，确定了适宜细胞培养及分化的电场刺激的模式、幅度和频率。钙染色实验也表明此衬底上的干细胞能相应电场刺激，具有进一步被调控的能力。在原定的研究内容外，我们也意外地发现拓扑结构具有抑制小胶质细胞过度激活，减弱其介导的神经炎症，并且，其能促进神经干细胞的迁移。依托本项目，我们已经发表6篇学术论文，研究成果对于研究神经干细胞微环境中的物理因子对于干细胞自我更新与定向分化的调控具有一定的指导意义。