物理治疗与干细胞
撰文│成 昱
编辑│陈圆圆 郑天慧
审校│汤红明
成昱 教授
正 文
物理疗法作为新兴的治疗手段，在许多疾病尤其是肿瘤治疗中应用广泛。相比于化学疗法、生物疗法等可控性弱、靶向率低、毒性大、疗效不佳的应用瓶颈，物理疗法可实现局部的精准定位治疗，具有全身毒副作用小，能实现智能控制、远程治疗的优势，目前物理治疗的手段主要包括放疗、电场疗法、磁热疗法等，其中以纳米材料作为药物载体的光动力治疗、磁靶向治疗等具有良好的生物相容性及靶向性，在再生医学领域也展现出了较大的应用前景。
物理信号可提高干细胞的定向分化率
干细胞的定向分化是一个复杂的过程，如何提高干细胞定向分化为所需细胞类型的分化率仍是目前干细胞应用治疗中的关键难点。通过化学因子诱导干细胞定向分化的作用效果有限。而直接和间接的机械刺激在控制干细胞分化中起重要作用，应用电磁刺激、低频超声波等物理信号可有效促进干细胞的定向分化。相关研究成果证明，低强度的脉冲超声可显著提高骨髓间充质干细胞的分化水平，促进骨髓间充质干细胞向软骨分化。将胚胎干细胞与氧化铁纳米颗粒相融合，经磁化后，可通过磁场输出磁信号对其进行远程操控以形成3D聚合物，再通过力学刺激定向分化成心脏细胞，该过程可在无任何生物化学触发物的情况下，研究胚胎干细胞的分化情况，为解决干细胞定向分化存在的问题提供了新策略。
物理治疗与干细胞结合可促进神经修复
在神经系统疾病治疗中，由于外源性神经干细胞移植技术尚未成熟，存在潜在致瘤性，因此干细胞的神经治疗中主要致力于激活内源性神经干细胞。但通过调控生物化学性因素激活内源性神经干细胞的效果往往不佳。超低频经颅磁刺激是一种无创穿透头皮并对神经细胞施加局部电磁场的物理方法，已被广泛应用于诊断、治疗及神经精神疾病康复促进。已有大量研究报道，经颅磁刺激等物理治疗手段可调动内源性神经干细胞的增殖、迁移、分化和成熟,促进内源性神经干细胞神经发生，该方法不仅能克服植入外源性神经干细胞致瘤风险高，具免疫原性等应用问题，还可避免药物引起的副作用，使治疗操作简单且安全可靠，协同物理治疗手段极大促进干细胞的神经修复治疗效果。
磁物理疗法协同干细胞可实现肿瘤的可视化及靶向治疗
低频弱磁场是临床常用的物理无创治疗手段，可促进干细胞增殖分化，通过促进FGF、VEGF等多种生长因子的表达，有利于减少炎症反应及促进血管再生。将物理功能纳米材料和干细胞进行生物组装，不仅赋予了干细胞可视化治疗功能，还可实现对脑肿瘤的主动识别和迁移，有效克服了干细胞治疗中靶向效率低的应用难点。将间充质干细胞与包裹阿霉素的金磁复合纳米粒子相融合，制备成智能靶向三阴性乳腺癌细胞的药物系统，使用光声成像的手段可对纳米粒子的分布进行实时监控，并对肿瘤部位进行成像，从而实现治疗过程的可视化。如何靶向递送干细胞也是目前治疗中的应用难点。局部注射虽然可以将干细胞直接输送到治疗区域，但却仅能保留约2％的注射细胞，大部分细胞会立即从注射区域扩散出去，因此植入率普遍较低。将磁性纳米粒子磁化间充质干细胞后，加以静态磁场在体内对其进行引导，可促进间充质干细胞在目标部位更集中、更持久、更有效，协同磁靶向技术可显著增强干细胞在治疗区域的富集，提高治疗效果。
此外，磁物理介导也可调控干细胞的黏附行为。在超低频（0.1～1Hz）磁场作用下，通过调节振荡磁场的频率可控制整合素的纳米级振荡进而影响干细胞的黏附和分化。将RGD分子屏蔽于磁性纳米笼中，通过磁场开关可逆调控RGD分子暴露与否，可实时调控RGD与整合素的结合及后续的干细胞黏附与分化行为。
总结
综上，通过直接或间接的物理信号刺激可干预干细胞在体外或体内的附着、增殖和分化，从而为干细胞在再生领域的应用提供治疗基础。同时，干细胞结合磁力和磁热等物理手段不仅可增强治疗的靶向性，实现治疗可视化，还具有精度高、穿透深、时空可控等优势，为一些难治愈的重大疾病提供了一种新的物理与生化协同的治疗策略，也为干细胞治疗拓宽了临床应用前景。然而，目前有关物理信号如何调控干细胞行为的相关生物学基础尚未明确，如何有效控制相关治疗参数以满足临床或实验研究的治疗需求等，还需要进一步探索和优化。