山東大學劉宏課題組Chem. Soc. Rev.: 納米結構介導的物理信號調控干細胞命運

一、引言

組織工程是一門以細胞生物學和材料科學相結合，進行體外或體內構建組織或器官的新興學科。作為重要的種子細胞，干細胞極大地推動了組織工程領域的進步，然而其可控分化仍然是一個重要挑戰。

干細胞表面受體可以感知細胞的物理環境或細胞外基質中的物理信號 因此，通過細胞周圍的物理信號或細胞所暴露的物理場，對調控干細胞的命運發揮重要作用。與生物和化學信號相比，物理信號具有更高的安全性、更低的成本并且容易實現局域化刺激，已成為調控干細胞命運的有力手段。力、光、熱、電、聲和磁等物理信號通常直接作用于細胞，或者依賴于納米材料構建的細胞微環境而施加。

與生物信號和化學信號相比，物理信號安全性高、毒性低并且容易實現局域化刺激。在大多數情況下，外部宏觀物理場難以精準調控干細胞命運，因為只有當細胞表面受體感知到局域化的物理信號時，才能影響細胞的命運決定。當施加宏觀外場時，弱場難以激活細胞受體，而強場可能由于其侵入式刺激對周圍組織造成潛在風險。為了實現無創和非接觸式刺激，借助材料進行間接物理刺激是一種更加安全而有效的手段。

二、成果簡介

山東大學劉宏課題組提出利用納米結構介導的物理信號調控干細胞命運這一概念，并以“Regulation of stem cell fate using nanostructure-mediated physical signals”為題，在Chemical Society Reviews上發表綜述文章。該綜述根據細胞所感知的信號，把物理信號分為力、電、聲、光、熱、磁六類，并總結各種物理信號的內在聯系和作用機制，詳細討論納米結構介導的物理信號對干細胞特定譜系分化的作用。作者希望本文能夠為遠程操控和無線刺激引導干細胞體外和體內分化提供幫助，并推動材料科學、細胞生物學和臨床研究等領域的進步。

三、圖文導讀

圖1. （a）細胞外基質的微結構和組成。細胞周圍有膠原納米纖維和蛋白多糖復合納米纖維，以及納米結構的纖維連接蛋白和整合蛋白。（b）細胞信號通路受蛋白磷酸化調控，在細胞發育和干細胞多能狀態的調節中起關鍵作用。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖2. 材料納米結構介導的物理信號和調節干細胞分化的相互作用示意圖。?(NIR，近紅外；CB，導帶；VB，價帶；LSPR，局域表面等離子體共振；TENG，摩擦電納米發電機；MEA，微電極陣列；UV，紫外線；US，超聲波)

圖3. 機體內細胞、組織和器官水平的機械刺激。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖4. （a）對干細胞施加剪切應力的生物反應器照片。（b）明場圖像（上），對應的oct3/4熒光圖像（中）以及對應的CAGGS表達的圖像（下）。細胞粘附在RGD包被微珠上，并對其連續施加循環應力1 h （17.5 Pa, 0.3 Hz）。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖5. （a）水凝膠介導的機械信號影響細胞響應的示意圖總結。（b）細胞外基質納米形貌對干細胞的影響。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖6. 基底彈性調控干細胞命運。（a）影響干細胞分化的因素有多種，包括分泌的可溶性因子、基質基質的彈性和二維/三維培養等。（b）通過交聯可以控制凝膠的彈性模量，通過膠原蛋白來控制細胞粘附等。（c）小鼠間充質干細胞在RGD修飾的不同硬度的藻酸鹽水凝膠中培養，堿性磷酸酶（ALP，成骨標志物，藍色）和脂滴（油紅O，成脂標志物，紅色）染色圖像。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖7. 聚乳酸納米柱陣列不同的柱列直徑驅動成骨分化。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖8.?（a）有序的納米結構維持間充質干細胞干性。（b）人源間充質干細胞在PDMS微柱列上的鋪展SEM圖像。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖9.?微圖案化的二氧化鈦陶瓷和二氧化鈦納米棒陣列控制骨髓間充質干細胞的定域定向成骨分化。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖10.?神經干細胞在不同二氧化鈦微圖案基底上的定域定向分化。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖11.?（a）形狀記憶聚合物壓縮前后動態圖像。（b） 在38℃和41℃熱處理后，不同微孔的c-6A PEGPCL形狀記憶聚合物基底的SEM圖像。（c）程序化控制大鼠骨髓間充質干細胞的形狀，肌動蛋白細胞骨架重組，以及通過熱誘導形狀記憶效應激活的微溝槽表面的動態變化而使細胞分化的示意圖。（d）水凝膠溶液在4℃下可流動，在37℃下快速成膠。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖12.?光交聯水凝膠、壓電薄膜和磁場介導的機械信號調控干細胞分化。（a）甲基丙烯酸透明質酸交聯過程示意圖。（b）細胞培養在壓電薄膜可感受逆壓電效應產生的微振動。（c）使用磁化胚胎干細胞來創造一個擬胚體，并使用遠程磁力來刺激它。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖13.（a）靜磁場刺激下，在21天的成骨培養后，通過茜素紅染色評估人源間充質干細胞礦化骨結節的形成。（b）放置于二氧化碳培養箱中用于產生電磁場的電磁線圈，內徑180 mm，長度400 mm。（c）低頻電磁場（50 Hz, 1 mT）刺激人骨髓間充質干細胞神經元分化過程的示意圖，以及神經元標志物TuJ1的神經元免疫熒光圖像。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖14.（a）圖示為內部磁性納米粒子和外部磁場的聯合磁信號，可以影響細胞響應。（b）圖為利用電磁場誘導的金納米顆粒磁化將成纖維細胞重編程為多巴胺能神經元的過程。瞬時轉染apelin的小鼠成纖維細胞培養在金納米顆粒涂層基底上，并暴露于特定頻率和強度的電磁場。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖15. 有光熱響應的納米材料。（a）黑磷（BPs）的SEM圖像。（b，c）PLGA和0.2 wt% BPs@PLGA薄膜的照片。（d）808 nm激光輻照下，PLGA和BPs@PLGA薄膜的光熱曲線。 （e）CuS@BSA（牛血清白蛋白）的顆粒尺寸分布和TEM圖像。（f）在980 nm近紅外光輻照下，CuS@BSA分散液的紅外熱成像圖。（g）在980 nm近紅外光輻照下，基質膠或負載CuS@BSA的基質膠在體內的紅外熱成像圖。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖16. 光轉換材料介導的光信號調控干細胞分化。（a）上轉換納米顆粒（UCNP）@SiO₂的TEM圖像。（b，c）基于UCNP的基底調控細胞-基質相互作用和人源間充質干細胞（hMSCs）命運的示意圖。（d）近紅外光照射下細胞內上轉換納米傳感器調控hMSCs分化示意圖。（e）實時測量hMSCs的相對熒光強度。（f）鈮酸鋰納米晶在典型梭形干細胞內的二次諧波產生信號的分布，以及內吞鈮酸鋰納米晶（藍色）的大鼠間充質干細胞的熒光圖像及肌動蛋白染色（紅色）。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖17. 直接電刺激調控干細胞分化。（a）由孵育室和電極組成的生物反應器的照片。（b）用于培養連接到雙相電流刺激器的神經干細胞的培養皿和ITO導電玻璃的示意圖。（c）早期或晚期人誘導多能干細胞來源的心肌細胞和輔助作用的成纖維細胞被纖維蛋白水凝膠包裹，形成組織在兩個彈性支柱之間伸展，通過電刺激使其收縮。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖18. 導電材料用于介導電刺激調控干細胞分化。（a）由在聚乙烯亞胺（PEI）預涂覆玻璃上制備的纖維蛋白包被金納米顆粒的SEM圖像。（b）交流電場刺激培養在纖維蛋白包被金納米顆粒上的人胚胎干細胞的示意圖。（c）左旋聚乳酸/聚苯胺（PLLA/PANi）靜電紡絲納米纖維的SEM圖像。（d）碳納米管繩電刺激裝置圖片。（e）小鼠神經干細胞在三維石墨烯泡沫（3D-GFs）上的低倍和高倍掃描電鏡圖像，活/死染色圖像和免疫熒光圖像。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖19. 一些電刺激調控干細胞分化的手段。（a）納米摩擦發電機示意圖。（b）15%聚(3,4-乙二氧噻吩)-還原氧化石墨烯微纖維的SEM圖像。（c）微電極陣列芯片的照片，四極電極陣列的顯微圖像，以及帶有四個圓形電極的單個四極電極單元的示意圖。（d）鈮酸鋰晶體結構與表面電荷自發極化誘導狀態。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖20. 壓電納米顆粒介導的電刺激調控干細胞分化。（a）碳納米管和氮化硼納米管的結構示意圖。（b）細胞的“無線”電刺激: 受外部超聲刺激，壓電納米顆粒提供內部電刺激。超聲誘導的氮化硼納米顆粒（BTNPs）影響細胞（c）鈣和（d）鈉瞬態變化。（e）尼龍-11納米顆粒的SEM圖像。（f）壓電力顯微鏡檢測尼龍-11納米顆粒壓電響應的相對振幅。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖21. 壓電薄膜/復合物介導的電刺激調控細胞分化。（a）α-PVDF和（b）β-PVDF的結構示意圖。（c）對細胞的“無線”電刺激:壓電基底（如β-PVDF）在超聲刺激下提供細胞外部電刺激。（d）P(VDF-TrFE)的結構示意圖。（e）超聲引起的壓力變化幅度和（f）P(VDF-TrFE)薄膜對應的電壓。（g）P(VDF-TrFE)/BNTPs薄膜的PFM圖像。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖22. 磁/壓電復合物介導的驅動細胞分化。（a）超聲驅動壓電微馬達誘導PC12細胞神經元分化的示意圖。（b）PC12細胞在不同培養條件下的對比。（c）S.platensis@Fe3O4@BTNPs 微馬達的SEM圖像。（d）微馬達處理后PC12的細胞活性。（e）微馬達誘導靶向PC12細胞分化示意圖。（f）微馬達和超聲信號共同刺激分化的PC12細胞的熒光圖像。（g）比較不同條件下培養的PC12細胞神經突長度。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖23. 光伏微太陽能電池陣列調控SaOS-2細胞響應。（注：圖中參考文獻出處見原文）

圖24. 光催化納米材料介導電信號調控干細胞分化。（a）?GO/TiO₂薄膜和（b）其上GO薄片的AFM圖像。（c）無刺激或（d）有閃光刺激條件下，rGO/TiO₂上分化三周的人源神經干細胞免疫熒光圖像。 （e）?C₃N₄片的SEM圖像。（f）分散在水中的C₃N₄片在不同激發波長下的雙光子熒光光譜。（g）在藍光和紅光輻照下C₃N₄片產生的光電流。（注：圖中參考文獻出處見原文）

四、小結

將物理信號應用于干細胞，能夠以一種及時和能量可控的刺激方式來調控干細胞命運，并有望在未來應用于臨床。然而，大多數傳統的物理信號應用技術僅適用于體外實驗，因為它們需要大尺寸的信號發生器，缺乏靶向和特異性調控目標干細胞的能力，并不能避免影響周圍的細胞或組織，這就阻礙了利用物理信號調節干細胞命運的實際應用。本文在總結前期研究成果后，提出了“利用納米結構介導的物理信號調控干細胞命運”的新概念。

基于這一概念，在外場作用下，納米生物材料表面可以產生局域無線物理信號，而與之共培養的干細胞可以獲得局部、實時、定量的物理刺激。然而，這一研究領域還很“年輕”，其未來的研究和實際應用也面臨著重大挑戰。與此相關的幾個方面需要深入探索：

（1）研究局域化物理信號調控干細胞命運的機理；

（2）實現無線物理刺激的新型材料及裝置設計；

（3）基于通過納米結構介導的物理信號調控干細胞命運的組織再生體內研究；

（4）不同學科背景團隊的交叉合作。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D1CS00572C

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