基因转染是研究干细胞基础生物学及促进干细胞定向分化的主要方法之一，常见的两类载体为病毒载体和非病毒载体。纳米材料作为一种新型非病毒载体，具有材料来源广泛、结构可调控、可进行靶向分子修饰、低毒、低免疫原性且易于大量制备等优势，已初步用于干细胞的定向分化研究。目前，纳米载体常用的有聚合物、脂质体、二氧化硅、磁性纳米材料等，这些载体通常被设计成具有较大的比表面积，通过被动或主动靶向方式递送 RNA/DNA、蛋白质、生长因子或其他小分子物质进入不同类型的干细胞中，进而可调控干细胞的定向分化。
基于 RNA 的骨修复与再生治疗是一种安全有效的方法，近年来被广泛研究。然而，RNA 制剂的分子稳定性往往成为制约其临床应用的阻碍。介孔氧化硅纳米颗粒(mesoporous silica nanoparticles,MSN)因其高孔隙率、可调节的尺寸、理想的生物降解性和生物安全性的特点，被认为是一种有前途的 RNA 载体。2020 年，YanJ 等人构建了一种基于介孔二氧化硅的新型 miR-26a 递送系统，表面高分子 PEI 的修饰可保护 miR-26a 在进入靶细胞之前免于被降解[1]。载带 miR-26a 的介孔氧化硅通过内吞作用进入细胞的溶酶体，并通过 KALA 短肽的膜融合和 PEI 的质子海绵效应从溶酶体逸出，从而使 miR-26a 在胞质中释放。将此 miR-26a 递送系统与大鼠骨髓间充质干细胞共培养，结果表明，载体的保护及有效转染作用使 miR-26a 在相对低浓度情况下显著增加骨髓间充质干细胞向成骨细胞的分化。
图1 纳米颗粒可能的进入机制
除 RNA 外，营养因子也可被纳米载体递送至干细胞。脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)可以诱导干细胞的神经分化，具有促神经损伤修复的潜力。2017 年，Chung Cy 等人构建了聚山梨酯 80 修饰的聚氰基丙烯酸丁酯纳米载体(polysorbate 80-coated polybutylcyanoacrylate nanocarrier,PS80 PBCA NC)，以递送含有 BDNF 基因的质粒 DNA[2]。他们通过免疫荧光染色和 Westem Blot 体外研究了 BDNE 表达的缺氧感应机制和纳米制剂对小鼠诱导的诱导多能干细胞缺氧后向神经元分化的诱导作用。结果表明，PS80 PBCA NC 可作为低氧敏感细胞中 BDNF 基因偶联 HRE 的有效平台，其神经诱导效果优于单独的 HRE-cmvbdnf，通过 BDNF 的表达，诱导多能干细胞能够通过激活 PI3/Akt 通路实现向神经的分化。
此外，电穿孔也被作为一种纳米技术用于细胞转染。细胞暴露在适当放电环境中时，细胞膜的稳定性被可逆地破坏并短暂地诱导膜孔的形成。电穿孔技术就是运用这个原理，通过施加短暂的电脉冲在质膜上产生纳米级小孔，使得核酸分子能够进入细胞中发生转染。如今，电穿孔已经发展成为一种快速、简单、高效的技术将 DNA 引入到各种各样的细胞中，包括细菌酵母、植物细胞、哺乳动物细胞系及干细胞[3]。2019 年，Lee E 等人使用电穿孔技术制备了血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein 2,BMP2)转染的成体干细胞，具有促血管生成和成骨作用，用于治疗骨缺损[4]。以 BMP2:VEGF=9:1 的比例转染的成体干细胞，可在无血管环境中定植 56 天，有效修复免疫抑制大鼠的颅骨缺损和长骨节段缺损。虽然电转染有一些显著优势，但也存在一些明显缺陷，如低转染率及细胞毒性问题等[5,6]。
参考文献
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