讓機器人長肌肉？——東北大學成功製備肌肉電極絲
據東北大學2018年2月2日新聞稿報道，由該校大學院工學研究科西澤松彥教授和長峰邦明准教授（現山形大學）帶領的研究團隊，開發了具有延展性的有機電極絲，並成功用骨骼肌細胞進行了包被。由於該電極絲採用導電性聚合物 PEDOT
【poly(3,4-ethylenedioxythiophene)】
和聚氨酯（polyurethane,PU)
複合而成，具有10mF/cm2
以上的高比容量性能，因此可以通過對細胞無損傷的安全電刺激，實現對肌肉運動強度和頻度的自由控制。該團隊使用新電極絲，證明了運動過程中釋放的肌肉因子(myokines)
能夠誘發白細胞的趨性運動。本項研究成果已在線發表於2018年2月2日的《Scientific Reports》
上。
經驗所知，適度運動對節食和生活習慣類等疾病是行之有效的。但具體多少算是「適度」，以及對其背後的作用機理，都知之甚少。最近研究表明，運動過程中骨骼肌會產生各種類激素因子，統稱為肌肉因子，在日本各大媒體的出鏡率頗高。大眾也通過媒體了解到肌肉可以通過分泌肌肉因子來調節身體健康，運動也可以對肥胖症以及II型糖尿病等有治療效果。肌肉因子中含有多種作用未明的物質，目前此類研究正積極進行。相關作用機理的闡明必將會加速未來醫療的發展，比如推動糖尿病藥物和惠及運動困難或者高齡人群的 「運動藥丸」（服用後無需運動即可產生同樣運動效果的藥物）的開發。
目前為止，對肌肉的研究基本依仗於小鼠在跑步機上運動等動物實驗。但是在複雜的體內環境下很難研究肌肉因子的相互作用，也很難確定得到的結果同樣適用於人體，而且動物倫理也是個問題。同時，得益於近些年包括 iPS細胞(誘導性多功能幹細胞) 在內幹細胞培養技術的長足發展，肌肉組織等人體各類組織、器官的體外培養逐漸成為現實。
肌細胞在施予電刺激時會產生收縮運動，並分泌肌肉因子。因此，當將肌細胞和其他細胞在培養皿中共培養時，可以體外觀察二者的相互作用。如圖1所示，將兩類細胞和一對電極放置於盛滿培養液的同一培養皿中，通電後即可觀察相互作用。但是這樣一來，電流會刺激到培養皿中所有細胞，肌細胞以外的細胞也會轉為興奮狀態，由此難以確定肌肉因子的作用。如果將電極選擇性的放置在一類細胞附近來刺激，施予電刺激過程中電極近域的水會因電解而導致pH值驟變，從而可能令目的細胞失活。
圖1 從前肌細胞的電刺激方法
本研究中的有機電極，是由導電性聚合物 PEDOT 和 PU 的複合材料製成的條狀電極膜捲曲而成。圖2A展示了具體培養方法，將有機電極絲橋接到硅橡膠制的培養盒中，然後用肌細胞、膠原蛋白凝膠、Matrigel? 混合液填充滿。培養過程中，隨著凝膠凝縮，肌細胞也自發地包被在電極絲上（圖2B）。由於這種電極的高比容量，即使接近細胞也不會引起電解。通過這種安全的電刺激，可以靈活控制肌肉運動的強度和頻度（圖2C）。
圖2 （A）肌電極絲的製作步驟；（B）肌電極絲的實物照；（C）通過電刺激頻率控制肌肉收縮運動
使用這種包被電極，電流只會有效流經肌細胞，即使與其他細胞共置也僅會刺激肌細胞。本研究組即利用該肌電極絲，證明肌肉運動時產生的肌肉因子誘發了白細胞的遷徙和聚集（圖3）。將白細胞接種在兩根肌電極絲之間（圖3A），僅刺激左側的肌細胞運動，會發現白細胞向左側遷徙（圖3B）。因為白細胞本身也可以被電刺激興奮，所以用常規電極絲無法觀察到該現象。
圖3 （A）實驗設置；（B）運動肌細胞分泌肌肉因子召集白細胞實照
實際上，人體在運動時肌肉會分泌肌肉因子釋放到血液中來召集免疫細胞，以達到對運動中炎症的抑制效果。這也暗示存在某種肌肉-免疫細胞網路，來改善胰島素對肌肉的作用（圖4）。
圖4 肌肉-免疫細胞網路
肌電極絲的實驗，闡明了運動治療的作用機制，進一步可指導「運動藥丸」的開發。另外，不僅是肌細胞，免疫細胞、腦神經細胞、皮膚細胞等同樣受電刺激控制，所以該電極將來可以用於電子控制人全體機能的 「半機器人」（Cyborg，部分機能由各種電子或電機裝置代替的或靠機械裝置維持生命機能的人）技術開發上。
文/客觀日本編輯部 圖/2月2日新聞稿
＜參考文獻＞
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.
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