纳秒脉冲电场调控间充质干细胞软骨分化的机理探究

Chondrogenic differentiation of stem cells is of significance, however, stem cells-derived chondrocytes are routinely premature and unstable. Electric signals have been shown to regulate phenotypes of cells and function of tissues, and have been used in clinical practices for long. However, the relatively broad ranges of parameters used and their ample biological targets hamper efforts to unearth biological mechanisms behind. Nanosecond pulsed electric fields (nsPEFs), a novel physical technique with precisely controlled pulse width, field strength and instantaneous power, has much more restrictive biological effects, compared with the traditional pulsed electric fields. Previously, we found that nanosecond pulsed electric fields regulated phenotypes of primary chondrocytes through activation of wnt/β-catenin signaling pathways, while they efficiently enhanced chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells partially through p38-MAPK signaling pathway. We have systemically optimized parameters of nsPEFs, which significantly enhanced chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells. In current study, we plan to explore potential signaling pathways involved and epigenetic regulation, while to investigate effects of nsPEFs on “stem” genes and their relationship with chondrogenic differentiation with an aim to deepen the mechanism study and push it for potential clinical applications.

干细胞软骨分化非常重要，但分化的软骨细胞表型不成熟和不稳定。电信号通过调控细胞表型影响组织功能状态，但电信号参数的多样性以及其生物学作用的非特异性阻碍了生物学机理的探索和广泛应用。纳秒脉冲电场是近年来发展起来的可精确控制脉宽、场强和瞬时功率的前沿物理技术，生物学效应相对集中。申请人团队前期研究发现纳秒脉冲电场通过wnt/β-catenin信号通路调控软骨细胞表型；但同样参数的纳秒脉冲电场通过p38-MAPK通路促进间充质干细胞的软骨分化。在兼顾安全性和有效性的基础上，申请人系统优化纳秒脉冲电场的多参数组合（场强、脉宽），确定三组参数显著促进对间充质干细胞软骨分化。在此基础上，申请人团队结合蛋白质组学和基因组甲基化组学，深入研究纳秒脉冲电场对间充质干细胞的信号通路、DNA甲基化的作用，并结合干性基因调控探讨其促进软骨分化的机理。该项目的实施能深化纳秒脉冲电场的机理探究，还能推动其临床应用。

项目背景：纳秒脉冲电场作为新兴的生物物理学技术，通过多靶点效应调控细胞表型，但其在具体应用场景下的参数选择、生物学机理和可预测性都是挑战。.主要研究内容：本项目通过多参数（脉宽、场强）筛选优化了能促进间充质干细胞软骨分化的纳秒脉冲电场参数，确认其通过JNK/CREB-STAT3通路作用，并在动物模型中促进了体内软骨再生。进一步研究发现纳秒脉冲电场通过一过性下调DNMT1提升干性基因表达而提升间充质干细胞的分化潜能；其与实验室之前发现的ghrelin顺序作用，增强了软骨分化和体内软骨再生。研究也证实了脉冲电场的效应在猪、鼠、人源骨髓间充质干细胞有类似效果。通过开发含有碳纳米管的导电薄膜，可以实现多次电刺激，有效阻止了长期体外扩增过程中细胞干性基因表达下降。.重要成果：探究纳秒脉冲电场的生物学机理，从信号通路到表观遗传学；从相对局限的干细胞软骨分化到广义的干细胞干性提升，机理探究不断深入。利用导电薄膜突破了既往纳秒脉冲电场只能单次应用的局限，实现长时程连续应用，验证了其可以作为长期、多次作用的手段，有效扩展了其生物医学应用。通过对脉冲电场的历史回顾和展望，系统梳理了其发展规律和方向。针对投稿过程中遇到的挑战”间充质干细胞的干性基因表达水平是否和干性、以及分化潜能有关“的困扰，我们通过深入挖掘和讨论，以”letter to editor“的形式做出全面和平衡的阐述。.关键数据: 两个纳秒脉冲电场参数（10ns，20kV/cm和100ns,10kV/cm）对干细胞软骨分化作用明显；脉冲电场不仅作用于信号通路，还能一过性抑制DNA甲基化转移酶活性，而降低干性基因promoter区甲基化水平，提升干性基因表达水平。长时程、多次电刺激可长期维持干性基因高表达。.科学意义：依托先前研究和现有理论，深入挖掘了纳秒脉冲电场的生物学机理，把信号通路研究拓展到表观遗传学领域；也通过长时间、多次应用脉冲电场，证实了其长期使用的稳定性和安全性，为潜在的临床应用打下基础。