斯坦福医学院(Stanford Medicine)的研究人员发现，一种大脑植入物可以传递和电刺激移植的干细胞，并在中风后刺激受伤的脑组织，从而促进老鼠的康复。安德鲁斯Ciprian / Shutterstock.com

全世界每年有1000多万中风患者，至少有一半的患者患有改变生活的残疾。然而，中风的治疗方法是有限的，许多患者在运动和认知功能方面只有适度的改善。对更好的治疗方法的需求尤其激发了人们对两种疗法的兴趣:干细胞移植和电流疗法。

尽管在动物身上的数百项研究——以及少数在人类身上的研究——已经证明，将干细胞移植到大脑可以改善中风的结果，但挑战在于找到输送和使用这些细胞的最佳方法。另一个挑战是:如何利用电流刺激这些细胞和大脑。

现在，斯坦福医学院的研究人员开发了一种工具，可以解决这两个问题。它可以输送和电刺激移植的干细胞和刺激受伤的脑组织。它还帮助研究人员确定了一种能促进大脑愈合的蛋白质。

该设备是一个微小的导电聚合物植入物，宽1毫米，长3毫米，约为信用卡的四分之一厚。导电聚合物是一种深色的有机化合物，具有柔性塑料的一致性和导电能力。为该设备供电的电力来自一个连接着电线的外部发电机。聚合物的电荷和表面相互作用将干细胞固定在原位。

“导电聚合物具有聚合物的所有优点，”神经病学和神经科学助理教授Paul George医学博士说。“你可以在它们上面装载细胞，并与它们一起运送药物。这是将细胞植入人体的完美平台。它们也以类似于半导体的方式导电。”

这种导电聚合物系统不仅发挥了预期的作用，还帮助啮齿动物在中风后更快更好地恢复。

乔治说:“我们发现，如果我们在啮齿类动物中风模型中用电调节移植的人类干细胞，我们几乎可以将干细胞本身的治疗效果提高一倍。”

3月15日发表在《自然通讯》(Nature Communications)网站上的一篇论文描述了这种导电聚合物系统。乔治是这篇论文的资深作者。乔治实验室的研究生Matine Azadian和博士后Sruthi Santhanam博士以及Byeongtaek Oh博士都是第一作者。

促进大脑

乔治的研究小组从观察人体如何利用电信号产生自己的干细胞开始。他们感兴趣的是，电刺激如何增加受伤后大脑自然产生的物质，以及这些物质在愈合过程中发挥的作用。他们想用电流刺激移植的干细胞尽可能地复制这一过程。

一旦他们开发出一种可以实现这一目标的工具，该团队就在经历过中风的老鼠身上进行了测试。科学家们将导电聚合物系统植入大脑表面，靠近受损组织的边缘，而不伤害大脑。

一些老鼠接受了干细胞移植。在最初的三天里，这些细胞每天被电刺激一小时。其他大鼠接受移植细胞，但没有电刺激。对照组采用导电聚合物植入物，对照组采用假体植入物。

正如所希望的那样，与其他组相比，接受干细胞结合电刺激的动物经历了更早、更持久的恢复。

然而，这些益处似乎并不完全来自干细胞。不管是否受到电刺激，这些细胞存活了几个星期，只有一小部分与周围的脑组织结合。科学家们认为，电刺激结合移植干细胞的提示起到了行动号令的作用，加速了大脑的修复过程，并从大脑其他部位吸收大脑自身的干细胞，以帮助治愈中风损伤的组织。

乔治说:“我们正在试图了解正确的刺激模式和如何操纵这个系统，看看我们是否可以进一步优化身体自身的修复机制——如何使这个过程更有效。”

STC2的角色

乔治的团队还想弄清楚神经再生的工作原理。他们发现，电刺激改变了大脑的修复机制，并深刻地改变了干细胞的基因表达。他们在移植细胞中发现了近600个上调基因和168个下调基因。上调的基因会增加它们对细胞外信号的反应，而下调的基因则会减少这种反应。其中一个上调最多的基因发出指令产生stanniocalcin 2 (STC2)，这是一种与细胞生长有关的蛋白质。

当科学家们使用一种病毒来降低移植干细胞中STC2的水平时，电刺激的积极作用消失了，愈合停止了。当他们直接给动物注射STC2时，它们的大脑产生了更多的干细胞，导致了更好的结果。George说需要研究来弄清楚增加STC2是如何以及为什么会导致大脑产生更多的干细胞的。

随着时间的推移，人类的大脑会失去一些弹性。尽管它仍然可以在整个生命过程中产生新的干细胞，但数量会随着年龄的增长而减少。中风加剧了这种衰退。由于中风经常影响老年人，像导电聚合物这样的设备可以在恢复过程的关键时刻提高大脑的愈合能力。

乔治说:“在我们的啮齿动物模型中，中风后，大脑自行好转了20%。”“其他使用干细胞的小组已经获得了50%到60%的恢复率。我们的回收率是80%到90%。这对众多已完成和正在进行的临床干细胞试验有重要的治疗考虑，并可能是优化这种治疗方法的新途径。”