让机器人长肌肉?——东北大学成功制备肌肉电极丝

生命科学 2018年02月08日

据东北大学2018年2月2日新闻稿报道,由该校大学院工学研究科西泽松彦教授和长峰邦明准教授(现山形大学)带领的研究团队,开发了具有延展性的有机电极丝,并成功用骨骼肌细胞进行了包被。由于该电极丝采用导电性聚合物PEDOT [poly(3,4-ethylenedioxythiophene)]和聚氨酯(polyurethane,PU)复合而成,具有10mF/cm2 以上的高比容量性能,因此可以通过对细胞无损伤的安全电刺激,实现对肌肉运动强度和频度的自由控制。该团队使用新电极丝,证明了运动过程中释放的肌肉因子(myokines)能够诱发白细胞的趋性运动。本项研究成果已在线发表于2018年2月2日的《Scientific Reports》上。

经验所知,适度运动对节食和生活习惯类等疾病是行之有效的。但具体多少算是“适度”,以及对其背后的作用机理,都知之甚少。最近研究表明,运动过程中骨骼肌会产生各种类激素因子,统称为肌肉因子,在日本各大媒体的出镜率颇高。大众也通过媒体了解到肌肉可以通过分泌肌肉因子来调节身体健康,运动也可以对肥胖症以及II型糖尿病等有治疗效果。肌肉因子中含有多种作用未明的物质,目前此类研究正积极进行。相关作用机理的阐明必将会加速未来医疗的发展,比如推动糖尿病药物和惠及运动困难或者高龄人群的“运动药丸”(服用后无需运动即可产生同样运动效果的药物)的开发。

目前为止,对肌肉的研究基本依仗于小鼠在跑步机上运动等动物实验。但是在复杂的体内环境下很难研究肌肉因子的相互作用,也很难确定得到的结果同样适用于人体,而且动物伦理也是个问题。同时,得益于近些年包括iPS细胞(诱导性多功能干细胞)在内干细胞培养技术的长足发展,肌肉组织等人体各类组织、器官的体外培养逐渐成为现实。

肌细胞在施予电刺激时会产生收缩运动,并分泌肌肉因子。因此,当将肌细胞和其他细胞在培养皿中共培养时,可以体外观察二者的相互作用。如图1所示,将两类细胞和一对电极放置于盛满培养液的同一培养皿中,通电后即可观察相互作用。但是这样一来,电流会刺激到培养皿中所有细胞,肌细胞以外的细胞也会转为兴奋状态,由此难以确定肌肉因子的作用。如果将电极选择性的放置在一类细胞附近来刺激,施予电刺激过程中电极近域的水会因电解而导致pH值骤变,从而可能令目的细胞失活。

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图1 从前肌细胞的电刺激方法

本研究中的有机电极,是由导电性聚合物PEDOT和PU的复合材料制成的条状电极膜卷曲而成。图2A展示了具体培养方法,将有机电极丝桥接到硅橡胶制的培养盒中,然后用肌细胞、胶原蛋白凝胶、Matrigel®混合液填充满。培养过程中,随着凝胶凝缩,肌细胞也自发地包被在电极丝上(图2B)。由于这种电极的高比容量,即使接近细胞也不会引起电解。通过这种安全的电刺激,可以灵活控制肌肉运动的强度和频度(图2C)。

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图2 (A)肌电极丝的制作步骤;(B)肌电极丝的实物照;
(C)通过电刺激频率控制肌肉收缩运动

使用这种包被电极,电流只会有效流经肌细胞,即使与其他细胞共置也仅会刺激肌细胞。本研究组即利用该肌电极丝,证明肌肉运动时产生的肌肉因子诱发了白细胞的迁徙和聚集(图3)。将白细胞接种在两根肌电极丝之间(图3A),仅刺激左侧的肌细胞运动,会发现白细胞向左侧迁徙(图3B)。因为白细胞本身也可以被电刺激兴奋,所以用常规电极丝无法观察到该现象。

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图3 (A)实验设置;(B)运动肌细胞分泌肌肉因子召集白细胞实照

实际上,人体在运动时肌肉会分泌肌肉因子释放到血液中来召集免疫细胞,以达到对运动中炎症的抑制效果。这也暗示存在某种肌肉-免疫细胞网络,来改善胰岛素对肌肉的作用(图4)。

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图4 肌肉-免疫细胞网络

肌电极丝的实验,阐明了运动治疗的作用机制,进一步可指导“运动药丸”的开发。另外,不仅是肌细胞,免疫细胞、脑神经细胞、皮肤细胞等同样受电刺激控制,所以该电极将来可以用于电子控制人全体机能的“半机器人”(Cyborg,部分机能由各种电子或电机装置代替的或靠机械装置维持生命机能的人)技术开发上。

文/客观日本编辑部
图/2月2日新闻稿

参考文献:
1. Contractile Skeletal Muscle Cells Cultured with a Conducting Soft Wire for Effective, Selective Stimulation. K. Nagamine, H. Sato, H. Kai, H. Kaji, M. Kanzaki, M. Nishizawa, Scientific Reports, DOI:10.1038/s41598-018-20729-y.

相关链接:
肌肉包被的有机电极控制健康激素分泌-体外培养肌肉重现“运动健康”(日文PDF

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