声波刺激就可长出新骨头？每天只需10分钟，干细胞5天快速分化，芯片装置只需1美元

丰色 2022-03-02 14:25:20 来源：量子位

高频声波促成骨细胞

骨骼再生一直是再生医学领域中的重点关注。

最近，有科学家通过高频声波处理，成功将干细胞分化为了骨细胞。

该方法不仅能缩短治疗时间——研究人员只用了5天就完成了这一转化，还能减轻患者疼痛——不从骨髓、从脂肪里也能抽取到所需干细胞。

△ 绿色部分为转化后的骨细胞，放大倍数：60

目前，这项成果发表在材料期刊《Small》，研究人员来自皇家墨尔本理工大学。

每天10分钟高频声波刺激

骨骼再生中的一个关键挑战就是获得大量骨细胞。

好在直接用外部物理刺激，就可以诱导干细胞做出相应反应，实现到骨细胞的分化。

不过一直以来，科学家们尝试的都是用低频声波（<1kHz）来完成这一刺激过程，这一方法通常需要至少连续7天。

本次研究中，科学家用10MHz的纳米级振幅高频声波，每天10分钟，连续5天就成功诱导间充质干细胞（MSC）分化成为了骨细胞。

具体表现为早期成骨标志物（RUNX2、COL1A1）的显著上调和后期标志物（骨钙素、骨桥蛋白）的持续增加。

下图为第3天的结果，用荧光图像呈现，其中第一行为对照组，第二行为实验组，绿色代表RUNX2和COL1A1的表达。

实验中用到的MSC干细胞除了在骨髓中提取，也可以在脂肪中提取，因此可以减轻患者多次取骨髓细胞的生理痛苦和心理压力。

除此之外，该方法后续不需要添加额外的“骨诱导”药物，保证细胞的安全性，可以直接注射到受伤部位，或涂在植入物上，试验骨骼再生。

实验中用到的高频声波是在研究人员开发的低成本微芯片设备上产生的，它可以在正确的位置向细胞施加适当的压力、触发分化过程。

具体装置也很简单：

10MHz的高频声波（绿色部分）通过光刻在铌酸锂晶体（LiNbO3）基片上的叉指换能器（IDT）发出，细胞就在玻璃培养皿中薄薄的一层硅油中被促成分化。

看起来相当小巧便携了。

而且据研究人员介绍，该芯片成本只要1美元——而以往的低频声波转换方法用到的设备体积大，操作复杂不说，成本也相当高，难以大规模生产应用到临床。

论文的通讯作者Leslie Yeo教授则补充道：

他和团队花了得有十年研究高频声波与不同材料之间的相互作用。

如今，这样的装置很容易扩大规模，便于促成更高效的干细胞分化过程。

因此，他们下一步的计划就是改进装置，使它能够提升“生产规模”，变成更实用的转换器。

论文地址：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202106823

参考链接：
https://www.rmit.edu.au/news/all-news/2022/feb/sound-waves-stem-cells