2.1 电场应用于干细胞的发展历程 随着干细胞研究的深入，如何使其定向归巢成为干细胞治疗的关键。在电场应用于细胞实验的基础上，干细胞的趋电性被广泛关注。自18世纪动物电发现以来，电场技术经历了持续的改进，在干细胞的形态、增殖、迁移和分化方面发挥了重要作用。如今，电场仍然是干细胞领域的重要研究方向，为组织工程、再生医学和疾病治疗提供了新的可能性。图3为电场应用于干细胞的时间脉络。
2.2 直流电场对干细胞迁移的影响 近年来，不断有学者对直流电场中干细胞的迁移特性进行量化研究。研究表明，干细胞迁移的定向性、迁移方向和迁移速度均不同程度受到直流电场强度及作用时间的影响。在电场极性反转后，干细胞的迁移方向也会发生相应的改变，这进一步证明了直流电场在干细胞迁移过程中扮演着至关重要的角色。
2.2.1 普遍量化方法(迁移方向、定向性、迁移速度、极性反转) 一般用Image J软件处理捕获的细胞迁移图像，获取细胞在XY坐标系下的位置，绘制细胞轨迹后即可进行量化。以细胞初始位置为原点，细胞迁移偏离原点的方向即为细胞迁移的方向(阴极/阳极)[19]。同时，细胞迁移在X轴的定向性可通过余弦函数表示，直接沿着电场线向阳/阴极移动的细胞将具有1/-1的方向性，而接近0的余弦值表示细胞进行随机移动。通过 (n表示细胞总数、θ表示干细胞迁移方向和电场方向的夹角)给出平均值产生平均定向指数[20-21]，能够更直观显示电场对细胞迁移方向的定向能力。绘制细胞轨迹后，可得到运动轨迹长度，除以总观察时间，即可得出细胞在整个运动过程中的平均迁移速度[22]。此外，通过进行电场的极性反转，观察细胞是否会在电场正负极改变后向新阴极或新阳极重新进行迁移来进一步证实电场对细胞迁移方向的影响[20]。
2.2.2 直流电场不同参数对干细胞迁移的影响 小鼠脂肪间充质干细胞在电场强度分别为1，6，10 V/cm作用6 h的条件下，向阴极迁移的定向性逐渐增强，迁移速度随着电场强度的增加而增快[23]。此外，当电场强度为100 mV/mm时，人脂肪间充质干细胞已经表现出了趋电迁移行为。电场强度为200 mV/mm时，向阳极迁移的趋向性更为明显，且定向性与电场强度呈正比，但迁移速度、迁移距离、位移距离和位移速度与电场强度没有明显关联性[24]，具体参数见表1。这一区别可能需要在相同的实验平台重复前人实验，探究不同物种来源干细胞对电场干预的反应，同时也是从动物实验转化到临床应用需要突破的一大难题。
人骨髓间充质干细胞的迁移方向在无电流引导下是随机的，但小的生理直流电场(25 mV/mm)即可使其向阳极进行强劲的迁移，且迁移速率增加了1倍。电场强度与迁移定向性和迁移速度呈正相关[20]。在电场强度为300 mV/mm时，迁移速度进一步增加并达到峰值，接近对照组(无直流电场)迁移率的2倍。电场强度为200 mV/mm或600 mV/mm作用2 h后，都不会对其造成任何实测损伤，且200 mV/mm的电场强度不影响其表型和成骨潜能，同时200 mV/mm的电场强度作用3 h后进行电场极性反转，人骨髓间充质干细胞会朝向新阳极迁移。而小鼠骨髓间充质干细胞在电场的引导下迁移方向与人骨髓间充质干细胞相反，向阴极移动，同时巨噬细胞向阳极移动；电场强度为50 mV/mm作用4 h时，小鼠骨髓间充质干细胞已有向阴极移动的明显趋势，而300 mV/mm的电场强度作用4 h是小鼠骨髓间充质干细胞和巨噬细胞进行趋电性迁移的最佳电场参数[25]，见表2。另外，在Transwell实验中，直流电场强度为200 mV/mm作用4 h是增强大鼠骨髓间充质干细胞向下室迁移的最佳选择[26]。筛选出趋电性迁移能力强的细胞用于后续的靶向迁移，这是提高干细胞治疗效率的又一途径。
对神经干细胞趋电性迁移的研究显示，在无定向刺激下，神经干细胞的迁移形似变形虫运动，在细胞表面形成2个连续但方向相反的突起，先随机于某个方向进行运动，后向其反方向运动，使运动呈现为方向改变频繁的曲折轨迹。直流电场可抑制神经干细胞向阳极形成突起，引导神经干细胞向阴极迁移并增加其迁移速度，增加迁移方向的稳定性，减少了迁移轨迹的曲折程度[27]。因此，直流电场可能作为一个引导方向的线索，以控制和加速神经干细胞向阴极的迁移。研究报道，大鼠神经干/祖细胞在50，100，250 mV/mm电场强度作用3 h时，均向阴极迁移，同时迁移速度和定向性与电场强度呈正相关[28]。另外，人神经干细胞迁移的电场强度阈值在16 mV/mm以下，迁移方向为阴极。在电场强度为300 mV/mm作用1 h后表现出向阴极的强劲迁移，且平均定向性随电场强度的增加而增加[29]，此时进行极性反转，人神经干细胞迁移方向随之改变，向新阴极移动，具体参数见表3。探索促进神经干细胞定向迁移的最佳参数可进一步提高其递送抗肿瘤药物的效率，为肿瘤治疗开辟新的途径。
就表皮干细胞趋电性迁移的研究结果而言，50 mV/mm的电流强度是引导大鼠表皮干细胞定向迁移的阈值，迁移方向为阴极。电场强度为100 mV/mm作用1 h时即表现出明显的定向性，3 h时迁移的定向性达到最大。因电场强度增加到250 mV/mm时迁移的定向性与200 mV/mm相比增幅不明显，即认为电场强度达到200 mV/mm时即进入平台期[30]，具体参数见表4。此外，王淞学者[21]的研究补充道，200 mV/mm的电场强度不仅可以促进细胞迁移，而且可以明显增加细胞增殖速度。因此，该电场参数可在表皮干细胞定向迁移模型中使用，进一步探索创面愈合机制，为皮肤创面修复与再生的研究提供新思路。
人胚胎干细胞趋电性迁移的研究结果显示，电流强度为50 mV/mm时，人胚胎干细胞向阳极发生定向迁移，迁移的定向性和速度都适度增加，但无明显统计学意义；电场强度增加到150 mV/mm时，定向性和迁移速度均大幅增加；直至电场强度增加到250 mV/mm时，人胚胎干细胞的迁移轨迹更加直并且贴近X轴，迁移速度也明显增加[31]；具体参数见表5。不断探究人胚胎干细胞的最佳趋电迁移参数，可充分发挥其发育的全能性，从而为自身免疫性疾病、神经系统疾病等提供新的治疗策略。
对人诱导性多能干细胞趋电性迁移的研究发现，其向阳极迁移所需的阈值电场强度小于30 mV/mm，较高电场强度会显著增加其定向性。在电场强度达到30 mV/mm作用3 h后，其定向性为?0.37±0.08，若此时进行极性反转，人诱导性多能干细胞则会向新阳极迁移。电场强度为50 mV/mm时，迁移速度提高20%。电场强度达到75 mV/mm时，定向性增加1倍，迁移速度增加了40%。在更高的电场强度下迁移速度开始趋于平稳，进入平台期[32]。人诱导性多功能干细胞在建立神经系统疾病和心脏病等模型中得到广泛应用。通过系统分析其趋电迁移情况，可以更深入地研究这些疾病的发病机制及治疗有效性。
以上研究表明，各类型干细胞在受到直流电场干预时，其迁移方向发生变化，且这种变化与直流电场的极性密切相关。随着直流电场极性的改变，干细胞的迁移方向也进行相应地调整。这可能与直流电场改变了细胞力学特点或者激活干细胞内的信号通路不同等因素有关[33-34]。同时，干细胞迁移的定向性与电场强度在一定范围内呈正相关。而干细胞的迁移速度是否受到电场强度的影响仍然存在争议，以及不同物种来源干细胞趋电性迁移特性不同的问题，需要之后在相同实验条件下重复研究，真正解决进入临床实际应用的困境。此外，除了定向性和速度，其他的迁移数值也可能受到直流电场强度的影响，例如：位移速率、X轴迁移速率等。但由于样本量较少，目前无法对这些参数进行全面的总结和分析。未来的研究可以进一步探索这些参数与直流电场强度之间的关系，以便更加全面地了解直流电场对于干细胞迁移的调控作用。
2.3 脉冲电场对干细胞迁移的影响 脉冲电场在细胞存活率方面相较于直流电场有着很大优势。LEE等[35]的研究显示，持续电流应用具有潜在的细胞毒性和电极降解等缺点，这些不良结果主要归因于单向离子流电荷的积累，并且细胞活性随着直流电场作用时间的增加而显著降低，而用作对照的脉冲电流组并没有观察到明显的细胞死亡，同时他们观察到单次1 200 μA电场作用3 h后诱导脂肪间充质干细胞的阳极定向迁移现象可维持6 h。JEZIERSKA-WO?NIAK等[36]的研究显示，在电场强度为80 mV/mm、频率130 Hz作用3 h的条件下，对骨髓间充质干细胞迁移速度的提高最为显著。目前暂无在相同条件下应用脉冲电场和直流电场作用于干细胞迁移的比较研究，在未来的研究中可以着重于此，探究一种高效省时节能且对细胞损伤较小的电场条件，进一步提高干细胞在组织工程中的应用。
2.4 研究干细胞迁移的常用电场装置
2.4.1 改良的平行板流动腔 如图4A所示，电源通过电解质和长度为35 cm的2%琼脂糖盐桥与细胞腔室相连，这个腔室由一个机械加工的聚碳酸酯块和玻璃窗组成，在腔室内将带有人脂肪间充质干细胞的玻片放置在厚度均匀的矩形硅酮垫片上，垫片中心有一个矩形开口，用螺丝和塑料盖(有一个矩形开口来容纳物镜)固定在一起。当该腔室适当关闭(足够紧密以防止泄漏，但不使玻片裂开)后，将创建一个尺寸为5 cm×1.3 cm×0.25 cm(分别为长、宽和高或间隙距离)的密封矩形通道。这种几何形状的腔室可以防止任何流体流动，并可以从外加电流中计算出电场强度或电流密度[37]。
2.4.2 趋电室 如图4B所示，趋电室是目前研究干细胞迁移最常用的装置，直流电源通过Steinberg’s溶液和琼脂盐桥与培养皿盖(提前打好相应大小的孔)相连，用真空硅脂胶形成开储液区与细胞区，中间带有人脂肪间充质干细胞的区域为单层玻片，两边为双层玻片，顶层为完全覆盖细胞的一块盖玻片，并用真空硅脂胶进行密封，既保证了细胞足够的迁移空间，又极大地减少了污染的风险，可通过捕捉图像观察分析出细胞迁移的完整过程[35]。
2.4.3 改良的Boyden室 改良的Boyden室是在Transwell迁移实验的基础上进行改造的。如图4C所示，正电极和负电极分别附着在上下腔体，其中未发生迁移的细胞可从上室移出，发生迁移的细胞可固定染色后进行观察。此装置不适用于观察迁移过程，但可作为筛选具备迁移能力细胞的一种方法[26]。
2.4.4 微控流装置 “微流控”(Micro-fluidics)是一种微米级别操纵流体的技术或平台，由于适用于细胞和蛋白等大分子，因此也被应用于生物领域。如图4D所示，是一种基于聚二甲基硅氧烷的微控流装置，用于观测人骨髓间充质干细胞的迁移情况。这个6通道装置允许同时刺激多达6个细胞迁移室，也可以使用单通道刺激。此装置更适用于观察更复杂的仿生环境下细胞的趋电行为[38]。
2.5 干细胞发生趋电性迁移的机制 由前所述可以发现，干细胞在电场中定向迁移的方向不同，这些差异可能与物种差异、组织来源和细胞类型有关，其机制不可一概而论，每种干细胞趋电性的潜在机制需要更进一步探索，见表6。
2.5.1 脂肪间充质干细胞 由于脂肪间充质干细胞的来源广泛，伦理限制较胚胎干细胞和人诱导性多功能干细胞少，故成为实验中常用的干细胞类型之一[41]。高尔基极化被认为是电场诱导脂肪间充质干细胞发生定向迁移的主要机制，其在极化过程中的重新定位与脂肪间充质干细胞响应电场作用下的迁移方向(阳极)相吻合[35]。JIN等[39]首次对脂肪间充质干细胞在直流电场中的环状RNA、长链非编码RNA、miRNA及mRNA进行了测序，并分析了RNA富集通路的差异表达，发现MAPK信号通路在其中起到重要作用，并且筛选出94个与迁移相关的上调基因和37个下调基因。在此基础上对脂肪间充质干细胞在直流电场中可能起到调节作用的内源竞争RNA网络进行了构建，得到了由1条下调长链非编码RNA AL645608、1条上调miRNA hsa-miR-615-3p 和36条下调mRNA构成的较为精简的调控网络。同时，丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信号通路的相关调控过程在内源竞争RNA网络调控中占据重要地位，这表明细胞在直流电场中整体的生物学过程与MAPK信号通路是分不开的。
2.5.2 骨髓间充质干细胞 在骨髓间充质干细胞与其他细胞或组织共培养的研究中，电场对骨髓间充质干细胞定向迁移的促进作用得到了广泛关注[42]。干细胞响应电场发生迁移在1 min内即可出现，因此对干细胞趋电性迁移机制的检测必须是即时和动态的。另有研究报道电场可增加趋化因子受体CXCR4、p-AKT和p-ERK1/2的表达[43]，同时PI3K和Arp2/3的抑制对减弱骨髓间充质干细胞的趋电性最为显著[25]。此外， WANG等[26]用基质细胞衍生因子1 及其趋化因子受体(stromal cell derived factors-1，SDF-1/C-X-C chemokine receptor 4，CXCR4)级联拮抗剂AMD3100对小鼠骨髓间充质干细胞进行预处理，以阻断SDF-1与CXCR4的结合，结果显示小鼠骨髓间充质干细胞迁移数量明显少于对照组。因此SDF-1/CXCR4信号通路也被认为可能在调节直流电场诱导骨髓间充质干细胞迁移中发挥了重要作用。
2.5.3 神经干/祖细胞 在中枢神经系统疾病的治疗方案中，神经干细胞是使中枢神经系统恢复的最佳细胞[44]。无电场时，神经干细胞表现为变形虫运动，向不同方向突起导致了细胞形状和迁移方向的频繁变化，加用电场可对神经干细胞运动时突出的方向进行一定程度的控制。而PI3K功能的缺乏会降低出现突起的频率，从而降低改变方向的能力，会影响细胞运动的方向但不损害维持运动方向的能力。因此，磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)功能是电场作用下保持运动方向所必需的[27]。之后，一条依赖于N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR)激活的新的信号通路被发现，即电场控制的神经干细胞迁移可能是通过NMDAR/Tiam1/Rac1/Pak1信号复合物与肌动蛋白细胞骨架的物理相互作用介导的[28]。
2.5.4 表皮干细胞 表皮干细胞的迁移对伤口再上皮化和伤口愈合至关重要[45]，对皮肤创面修复的治疗有重要意义。有研究报道，ERK1/2和PI3K/AKT可能是电场诱导的F-肌动蛋白聚合和表皮干细胞定向迁移的重要信号通路。表皮生长因子受体在细胞膜上感知到细胞外的创伤电信号，并将其整合到细胞内的PI3K/AKT和MAPK信号通路中，导致细胞内F-肌动蛋白的不对称聚合和表皮干细胞的定向迁移，进而促进创伤愈合[40]。
2.5.5 人胚胎干细胞 研究表明，人胚胎干细胞和人诱导性多能干细胞已成为细胞替代治疗的重要移植来源[46]。江恒君[31]通过靶基因的预测表明，差异表达的microRNAs在进行细胞黏附、伤口愈合以及各种基于肌动蛋白纤维的生物学过程中发挥了至关重要的作用。此外，通过 KEGG数据库对 hsa-miR-920和 hsa-miR-4321进行分析，发现电场可能通过hsa-miR-920对GIMAP5和STIMI的调控作用和通过hsa-miR-4321涉及的信号通路 Adherens Junction 指导人胚胎干细胞 H9系的定向迁移。基于此，他们预测了miR-4321涉及的一系列信号通路，其中Adherens-Junction通路是较为关键的一个，在电场干预后检测VCL蛋白的表达量发现其有下降的趋势，这提示细胞黏附可能在干细胞趋电性机制中发挥了一定作用。
2.5.6 人诱导多功能干细胞 人诱导性多能干细胞的出现，在干细胞、表观遗传学以及生物医学研究领域都引起了强烈的反响，渐渐成为研究心脏疾病和肝脏疾病的重要工具[47]。孙伟皓等[33]通过抑制ROCK，发现人诱导性多能干细胞的迁移定向性显著下降，但增加了迁移速度，因此提出ROCK活化参与了人诱导性多能干细胞的趋电性。
在对干细胞的迁移机制进行了大量研究后，有学者提出迁移过程是由一个复杂的信号网络控制的[48]，因此在干细胞进行迁移的过程中应特别注意不同信号通路之间的相互作用。同时，每种干细胞的迁移方向及机制的差异性，使得研究人员越来越意识到在研究中采用人类原代细胞的重要性[19]。相比于小鼠或大鼠的细胞系或细胞株，使用人类原代细胞可以更加准确地模拟和还原真实的迁移情况，从而更好地理解干细胞的行为。
2.6 其他影响干细胞趋电性迁移的因素 除电场的不同参数会对干细胞的趋电性迁移产生影响外，还存在其他影响因素，比如细胞衰老和培养环境。通过深入了解这些因素，可以更好地理解干细胞迁移及其机制，提高应用干细胞治疗的效果。
细胞经过连续的传代和培养，会逐渐出现衰老现象。有研究报道，随着干细胞传代次数的增加，干细胞发生定向迁移的百分比降低[18]，迁移速度也随之下降[20]，同时人脂肪间充质干细胞的增殖能力、成骨和成软骨潜能都逐渐下降，而成脂潜能逐渐增强[24]。此外，之前关于电场作用于干细胞的研究大部分是在2D环境中进行的。但实际应用治疗时，干细胞将在3D环境中进行生长，因此，在三维动静态环境中培养细胞具有实际临床意义。ZHANG等[32]将人诱导性多能干细胞在3D环境中培养，发现细胞保持静止，在加用电场后人诱导性多能干细胞即可发生定向迁移。同时，YANG等[49]观察到3D培养的脂肪间充质干细胞运动加快，且胞内钙离子活性也明显增强。此外，于夕尧[50]证实电场可以促进人神经干细胞在3D水凝胶支架中向神经元的分化、生长以及成熟，并形成不同功能性神经元亚型，其在体外构建工程化的人神经组织，为治疗中枢神经系统疾病以及提供更接近体内神经组织的三维模型提供了新思路。
