应用于临床？电刺激影响细胞生物行为的研究仍需更深入、系统地工作

近40年，探索电刺激在生物医学中的应用引起了人们极大的兴趣，这种兴趣很大程度上来自于电刺激细胞实验研究方面取得的进展，了解电刺激如何影响细胞力学特性和生命活动对研发疾病诊疗新技术具有参考意义。

本文总结了电刺激-细胞力学特性-细胞生物行为关联性研究的进展，探讨了目前细胞电刺激研究存在的问题，并对未来发展方向提出了建议。

公元前4000年的埃及象形文字中就有了关于生物电的记录，但直到18世纪末，生物电才首次被观察到并提出。

1977年，随着生物电刺激的实验装置、生物电刺激现象、生物学机制和相关应用被总结，对细胞电刺激的实验研究进入快速发展阶段。

目前，电场对细胞的作用已经被证明可以诱导包括微丝重组，血管生成在内的多种细胞和分子反应，电疗法也成功地应用于骨折治疗、神经纤维修复、软组织再生和癌症治疗等临床治疗中去。

本研究从细胞力学特性的角度出发，总结了用细胞力学特性的改变解释电刺激改变细胞生物行为的研究。

细胞力学特性对细胞生物行为的影响

细胞力学特性对细胞的生物行为有重要影响，这些影响通过两种方式实现：细胞力学性能改变，细胞所处力学环境改变。

细胞的力学性能（如膜张力、骨架弹性、黏附强度和黏弹性等）与细胞的分化、稳态、衰老、病变、迁移等多种生物学功能密切相关。

例如，较低的膜张力有助于提高人骨髓间充质干细胞对各种可溶性生化环境刺激，促进或抑制干细胞诱导分化为特定的细胞类型；强的膜-细胞骨架黏附有利于成骨细胞在连续的应力循环下保持结构的完整性；细胞骨架的弹性模量降低有助于介导人骨髓间充质干细胞（hMSC）的脂肪分化；红细胞较低的黏弹性和较差的变形能力预示着细胞的衰老和病变。

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另一方面，细胞所处的力学环境如基质刚度、细胞-细胞接触和变形、特定类型的机械刺激和微重力条件等在控制和改变细胞基因表达和分化途径、促进细胞成熟等方面发挥重要作用。

例如，较硬的细胞外基质刚度诱导干细胞分化成较硬的成骨细胞；微重力条件诱导干细胞的成脂分化增加，成骨分化减少；静态拉伸促进人类多功能干细胞来源的心脏组织成熟；循环应变诱导犬气管肌细胞骨架重组。

力学因素对细胞生命活动有重要影响，研究电刺激对细胞力学特性的影响具有巨大的理论研究和临床应用价值。

电刺激对细胞力学特性的影响

目前对细胞施加的电刺激可以根据作用电场分为三类：直流电场、正弦电场、脉冲电场。

直流电场

直流电场指的是电流方向不变的电场。

大多数研究中所采用的直流电场为恒流电场。通过使用直流电的装置给培养液中的细胞提供稳定的直流电刺激。

为降低焦耳热的产生，减少不必要的电极副产物，避免pH值的大幅振荡，电极常通过琼脂盐桥传递电流，但这种装置无法将体外研究的结果与临床直接相互关联。

为解决这一问题，可以使用高纯度、化学惰性的金属电极直接与细胞培养液接触。

也可以通过间歇性通电的方式，将直流电场整合成类似于脉冲电场的形式。

直流电刺激装置

直流电场可以影响损伤细胞局灶性粘连，调控细胞迁移和排列的方向，改变细胞的形状等。

Titushkin等的实验表明直流电场可以破坏hMSC细胞骨架，导致细胞弹性模量下降以及细胞膜和骨架的分离，从而诱导hMSC细胞分化成弹性模量更小的细胞。

Sun等通过将hMSC细胞暴露在直流电场，使其内的应力纤维被分解，从而促进其分化成骨细胞。

直流电场改变细胞迁移以及排列方向的机制和改变细胞形状的机制相似。

Cho等和Curtze等发现直流电场通过改变多种类型细胞的细胞间作用力从而指导细胞迁移和排列方向，改变细胞的形状。

正弦电场

正弦电场指的是指波形按正弦规律随时间变化的电场。

向细胞提供正弦电流的装置一般为函数发生器，具有调制的功能，可以满足细胞接受不同参数的正弦电场刺激的需求。

正弦电场可以通过盐桥传递电流，也可直接通过金属电极传递电流，对于场强较大的正弦电场刺激细胞实验，通常需要控制电极之间的间距在几十到几百微米，实验更多地采用金属电极。

正弦电场可以改变细胞和囊泡形状，诱导细胞膜和骨架的分离。

正弦电场作用导致离子在细胞膜表面积累，引起跨膜电势的改变，诱导细胞极化，从而对细胞施加一个介电泳力，使细胞形状改变，形变程度和场强正相关。

正弦电场还可以使与细胞膜组成和结构相似的囊泡产生变形。

细胞膜和细胞骨架的分离程度可以通过测量从细胞膜中拉出一定长度的膜系绳需要施加的系绳力来表征，力越小分离程度越明显。

相较于低频率低保持电位的正弦直流电场，高频率高保持电位的正弦直流电场对细胞膜和细胞骨架的分离有更明显的效果。

细胞在矩形交流电场中系绳力的变化也有类似的现象。

其他波形的电场系绳力是否还能与电场的函数形式保持一致性有待进一步的实验论证。

脉冲电场

脉冲电场有高场强和短脉冲宽度的特点。

场强在10~100 kV/cm的高压纳秒脉冲电场由于脉冲宽度低于细胞膜的充电时间常数可透过细胞膜的屏蔽作用，使电场作用延伸到细胞内。

因此，脉冲电场尤其是纳秒级脉冲电场在杀菌和生物医学领域得到广泛的应用。

提供高强度脉冲电场的装置一般为基于Blumlein线原理的脉冲发生器，可以提供高功率低能量的脉冲。

将装着细胞溶液的容器放在2个电极之间接收脉冲刺激，不存在电极副产物问题。

此外，低能量纳秒级脉冲电场产生的焦耳热可以忽略。

向细胞提供脉冲电场刺激的装置

脉冲电场对细胞的作用包括在细胞膜形成孔隙，对细胞骨架、核膜、染色体端粒的破坏，使细胞变形，诱导细胞凋亡。 低强度的脉冲电流还显示出诱导细胞分化的潜力。

脉冲电场诱导膜孔隙形成导致的膜通透性增加已被成功地用于将大分子引入活细胞、提取细胞成分或在不加热的情况下灭活微生物。

除了一般意义上具有高场强特点的脉冲电场，还有一种脉冲电场有着较低的场强（约5 V/cm），称之为电起搏。

电起博是由特定的电刺激装置提供，细胞在培养液中直接与电极接触。

这样的电刺激可以模拟人体内心脏生长的环境，使从人类多功能干细胞（hPSCs）衍生出的心肌细胞增加肌原纤维的超微结构，提高细胞的被动刚度，促进细胞的成熟。

这为研发出具有功能的人类心脏组织提供了新的基础。

下表总结了电刺激对细胞力学特性的影响。

直流电场和脉冲电场都对细胞弹性模量有较大影响，直流电场和正弦电场还对细胞膜和骨架相互作用即膜系绳力有较大影响。

此外，正弦电场可以激发电场对细胞作用的介电泳力。

结论

目前，直流电场、正弦电场和脉冲电场改变细胞生物行为方面的研究日新月异。

如何建立电学刺激-细胞力学特性-细胞生物行为的映射关系，仍需生物电磁学、细胞力学、细胞生物学等跨学科融合，更深入、系统的工作仍需开展。

1）矩形脉冲的高效性在研究细胞的电渗作用方面已经被证明，但是在脉冲电场对细胞行为的其他方面的影响以及脉冲特性的影响等仍需深入研究。

2）研发可三维尺度的细胞交互作用力测试装置及相关实验也是需要努力的一个方向。

3）如何将体外实验结果应用于临床仍是一个艰巨的挑战。

电刺激通过改变细胞力学特性对细胞生物行为影响是显而易见的，但建立电学刺激-细胞力学特性-细胞生物行为的映射关系仍需更深入、更系统的研究工作。

随着跨学科研究的不断深入，相关研究有望在未来获得加速发展，早日将体外实验的结果应用到临床。

本文作者：孙伟皓，马建立，刘海龙，吴承伟，张伟，Kamonpan Pengpat作者简介：孙伟皓，大连理工大学工程力学系，工业装备结构分析国家重点实验室，硕士研究生，研究方向为电刺激对细胞力学性能的调控机理与应用；张伟，大连理工大学工程力学系，工业装备结构分析国家重点实验室，教授，博士生导师，研究方向为磁感应热疗恶性肿瘤技术和生物医用水凝胶研发。

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