"传统药物诱导牙髓干细胞往成骨方向分化，通常要等10天以上；而我们构建的平台在超声激活下，3天内诱导出现早期成骨分化信号。更关键的是，我们能同时「看见」分化过程中内质网里那些分子指纹的实时变化——实现调控与监测一体化。"齐国华表示。

齐国华是深圳大学医学部生物医学工程学院副教授，上述研究已经发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

研究背景

牙髓干细胞具有自我更新和多向分化能力，是牙组织再生与修复的重要细胞来源。然而，它的分化诱导长期面临三个难点：其一，传统化学药物诱导耗时（通常需要10天以上）且可控性有限；其二，支架类材料存在长期稳定性、免疫排斥和炎症反应等风险；其三，现有电刺激方案多依赖外接电源和有线电极，难以稳定操控，更不利于未来的植入应用。如何在亚细胞尺度实现安全、非侵入、快速可控的分化调控，并同步看清背后的分子机制，成为这一领域亟待突破的难题。

研究成果

深圳大学牵头构建了内质网靶向的等离激元-压电复合平台 ET-BTO@AgNPs，一个平台同时具备两种能力：一方面，在超声激活下产生约 26 mV 的可控电信号，无需有线电极即可在亚细胞尺度实施电刺激，将牙髓干细胞的早期成骨分化时间从传统的 10 天以上缩短至约 3 天；另一方面，银纳米颗粒形成 SERS 热点，可在无标记、单细胞分辨的情况下，原位动态跟踪内质网中的分子谱变化。结果显示，超声驱动电刺激显著提高了线粒体膜电位与 ATP 水平，并伴随酪氨酸、苯丙氨酸、羟脯氨酸、蛋白质、糖原和脂质信号随分化进程持续上升，为牙组织再生与修复提供了“刺激与监测一体化”的新策略。

该研究以 “Ultrasonic-Activated Electrical Stimulation for Regulating Stem Cell Differentiation and Its Molecular Stress Response Monitoring in the Endoplasmic Reticulum with the Plasmonic Piezoelectric SERS Platform”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

图1. 研究概览

研究内容

无需药物，无需外接电极，本研究是如何实现内质网精准电刺激，3天驱动干细胞成骨分化，并实现 SERS 监测呢？

① 平台设计

首先，团队通过静电组装制备 BTO@AgNPs，并经 SH-PEG、内质网靶向肽 FAL 与 RGD 修饰得到 ET-BTO@AgNPs，既保证材料精准进入并靶向内质网，又维持良好的生物相容性。

※ SH-PEG：巯基-聚乙二醇，负责在BTO@AgNPs 表面引入 PEG 链，能提高纳米颗粒的稳定性并减少非特异性相互作用；PEG 链另一端的官能团为后续修饰内质网靶向肽（FAL）和 RGD 肽提供了化学锚点。

※ RGD：精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸，负责“敲门”，引导纳米探针与细胞膜上的整合素结合，启动内吞过程，让探针顺利进入细胞内部。

※ FAL：ER 靶向肽，负责“导航” ，探针进入细胞后，FAL 引导其精准定位到内质网。

图2. (a) BTO、(b) AgNPs 和 (c) BTO@AgNPs 的TEM 图像；(d) BTO@AgNPs 的 TEM 暗场图像；(e) BTO@AgNPs 的 TEM 元素面分布图，包括 Ag、Ba、Ti 和 O。比例尺为 100 nm。（更多详情请查看原文）

② 超声驱动电刺激，3天见分化

牙髓干细胞与 0.5 mg/mL 纳米探针孵育 12 h 后，每天接受 1.0 W/cm² 超声 5 min、连续 3 天，即可观察到明显的早期成骨分化，茜素红染色与活/死染色等结果证实了分化与细胞活力。

图3. 通过茜素红染色、活死细胞染色、胞内钙离子荧光成像以及 ALP 和 DSPP 的荧光定量分析，从形态学、细胞活力和成骨/成牙本质分化标志物多个维度，系统验证了 UES 对 DPSCs 成骨分化的显著促进作用（详情请查看原文）

③ SERS 单细胞监测内质网分子谱

借助共聚焦拉曼光谱仪，团队实现了对单个细胞内质网的动态追踪：645 cm⁻¹（酪氨酸）、999 cm⁻¹（苯丙氨酸）、1586 cm⁻¹（羟脯氨酸）等与分化相关蛋白的信号随时间升高，1215 cm⁻¹（酰胺III/β-折叠）、1027 cm⁻¹（糖原）、1075 cm⁻¹（脂肪酸） 等分子信号也同步变化，内质网脂质水平显著上调。

图4. (f) 超声驱动电刺激后不同分化时间（0、1、2和3天）牙髓干细胞内质网的 SERS 光谱；(g) 归属于蛋白质和(h)脂质的相关拉曼谱带的 SERS 强度变化。（详情请查看原文）

仪器贡献

听清内质网中“低丰度的声音”

要在活细胞、单细胞尺度下，以无标记方式检测内质网中低丰度、多组分分子的动态变化，同时避免明显光漂白并获得可辨识的分子指纹，这对检测系统提出了很高要求。本研究使用 HORIBA LabRAM ARAMIS 共聚焦拉曼系统（该设备已停产，现全面升级为 XploRA PLUS），该系统为全文提供了全部 SERS 检测数据。

“我们要的就是在单细胞尺度、无标记地看清分化过程中内质网分子的动态变化，又要拿到足够清晰、可辨识的分子指纹。”研究者评价道，“ARAMIS 的共焦微区采集配合 633 nm 激发和 50× 物镜，约 1.5 μm 的光斑刚好够我们做单细胞分辨；400–1800 cm⁻¹ 的范围又覆盖了氨基酸、蛋白质、多糖和脂质的关键振动峰。把它和 ET-BTO@AgNPs 的 SERS 增强效应结合，我们才能原位动态追踪这些分子信号随分化时间的变化——这些结果从分子层面支持了‘UES诱导内质网应激，并伴随线粒体膜电位升高、ATP 生成增强及分化加速’这一可能机制。”

XploRA PLUS

高性能全自动拉曼光谱仪

集成研究级正置显微镜，在具备常用的拉曼光谱测量功能的同时，还可实现超快速拉曼光谱成像、荧光成像、PL 成像等。

未来科学

“未来这种靠超声远程驱动、既能治疗又能监测的平台，很有希望变成牙髓或牙组织再生里的微创工具，而且不光用在牙上，说不定还能拓展到其他干细胞、其他细胞器，甚至其他分化方向。当然，后面还得把纳米材料在体内的代谢、安全性、长期稳定性，以及它对不同细胞类型是不是都管用这些问题给捋清楚。真到那一步，就能根据实际需要随时启动个性化修复，还能靠实时的分子指纹反馈来灵活调整刺激强度和疗程，未来若进一步将分子监测结果用于反馈调节刺激参数，有望形成‘调控—监测—决策’闭环，这才算真正意义上的再生医学。”齐国华副教授表示。

作者单位

本研究由深圳大学医学部生物医学工程学院广东省生物医学检测与超声成像重点实验室、燕山大学理学院河北省微结构材料物理重点实验室，以及吉林大学口腔医院牙体牙髓病科合作完成。团队聚焦生物医学检测、超声调控、压电纳米材料、SERS 单细胞/细胞器分析及口腔组织再生，致力于将可控物理刺激与原位分子监测相结合。

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