干细胞系列小知识(XXXXXXXⅥ)-从材料到生命：纳米微结构材料如何影响干细胞增值分化？

金是一种惰性金属，具有相对稳定的化学性质和较好的生物相容性，很早就有将金箔用于抗衰老化妆品的先例。而基于各种纳米制备技术得到的金纳米颗粒具有更加丰富可调变的尺寸、形貌及与之关联的光学、电学及力学性能，且可通过 Au-S 共价键很容易地在其表面连接各种分子，因此金纳米粒子较早被用于生物医学领域的研究，其中包括对干细胞分化的影响研究。如 Li 等人研究表明，包被牛血清白蛋白(bovine serum albumin,BSA)的 30~70nm 的球形金纳米粒子及 70nm 的棒状金纳米粒子对人骨髓间充质干细胞的成骨分化有明显影响，而更大的 110nm 金颗粒则无明显作用。通过免疫荧光染色检测不同 AuNPs 处理后人间充质干细胞中活化的 yes 相关蛋白(yes associated protein,YAP)表达和定位，推测金纳米粒子可能被细胞以一种大小和形貌依赖的方式内吞后，作为一种机械刺激信号，影响了YAP的激活，进而调控了成骨相关基因(ALP、Runx2、IBSP 和 SPPI)的表达^[1]。

氧化铈(CeO₂)也是一种生物相容性较好的无机材料，基于纳米制备技术得到的缺陷态掺杂氧化铈更是被赋予了抗氧化的性能，最近十多年被广泛应用于抗炎抗氧化，包括保护及调节干细胞功能的研究。Traversa 等^[2]制备了 5~8nm 氧化铈纳米粒子，跟心脏前体细胞共培养，细胞电镜发现内吞的纳米粒子在细胞质中可以存留 7 天，并持续发挥抗氧化作用帮助心脏前体细胞对抗氧化应激，从而保持细胞的分化功能。氧化铈持续的抗氧化功能来自于其纳米制备工艺形成的氧空位，即 Ce³⁺。且基于 Ce 离子的电化学性质， Ce³⁺ 被有害的活性氧消耗之后，还能通过纳米粒子中大量存在的 Ce 元素的正常价态 Ce⁴⁺ 再生，这也是以氧化铈为代表的大部分纳米酶材料发挥其长效抗氧化功能的基本原理。2017 年，Li K 等人通过等离子喷涂技术制备了掺杂 CeO₂ 的羟基磷灰石涂层 HA-10Ce 和 HA-30Ce，研究了 CeO₂ 的添加对骨髓间充质干细胞反应的影响^[3]。结果表明 HA 涂层中 CeO₂ 含量的增加使骨髓间充质干细胞在细胞增殖、碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)活性和矿化结节形成方面具有更好的成骨行为。RT-PCR 和 WestemBlot 分析提示 CeO₂ 的掺入可能通过 Smad 依赖的 BMP 信号通路促进了骨髓间充质干细胞的成骨分化，激活 Runx2 的表达，进而增强了碱性磷酸酶和骨钙素(osteocalcin,OCN)的表达。

图1 ZnO/纳米碳改性纤维支架用于干细胞成骨分化^[7]

微纳米加工技术的不断进步为细胞力学的研究提供了丰富的跟细胞尺度及结构匹配的表界面材料，表面微/纳图案对细胞行为的影响也逐渐受到越来越多的研究关注。亚细胞尽寸的凹孔、纳米柱、沟槽等拓扑结构决定了细胞黏附时焦点黏着斑的形成和分布以及整合素蛋白的表达情况，进而影响细胞铺展、迁移等行为。2017 年，Wang PY 等研究了 2 种基质(即软光刻制成的纳米沟槽和纳米柱)对人羊膜来源的间充质干细胞(human amnion derived mesenchymal stem cells,hAM-MSC)和小鼠胚胎干细胞诱导分化的影响^[4]。第 1 天和第 3 天观察细胞形态和增殖情况。第 14 天，采用 qPCR 分析 hAM-MSC 和小鼠胚胎干细胞来源的胚状体(mEB)的基因表达情况。发现，纳米沟槽结构对细胞排列有沟槽深度依赖的显著影响，两种细胞类型沿深沟槽表现出强烈的排列趋势。此外，纳米沟槽抑制了 hAM-MSC 的生长，但增强了 mEB 的增殖。纳米柱对 hAM-MSC 的生长没有显著影响，但柱密度不同可以影响 mEB 的生长，这表明 mEB 在增殖方面对纳米形貌更敏感，而 hAM-MSC 只对特定的结构和尺寸敏感。之后作者对 hAM-MSC 进行了骨、软骨和脂肪分化相关基因的研究，对 mEB 进行了内胚层、中胚层、外胚层和多能性基因的研究。结果表明，与无图案平面对照相比，成骨、软骨、骨骼肌、心脏和肝脏的基因在纳米柱和纳米沟槽结构均有上调，以密度为65% 的有序柱和深度为 40nm 的沟槽最为明显。此外，发现一小部分 mEB 有类似心脏的搏动细胞和骨细胞标记物形成。这项工作证明了纳米尺度结构在影响和调控干细胞分化中的重要性。

此外，孔结构的孔径大小、形态、分布、孔隙率及贯通性等对细胞迁移、增殖、分化以及血管和组织生长都有重要影响。2017 年，吴成铁团队通过改进 3D 打印技术和精准化控制各种结构参数，成功构建了类似莲藕的仿生生物陶瓷材料，相比传统打印方法材料改进了孔堆积结构、孔隙率、比表面积及力学性能。研究结果表明，类莲藕仿生材料显著改善了体外骨髓间充质干细胞的附着和增殖，更利于营养物质向内部的传输，引导细胞和组织向内生长，从而促进成血管及成骨，提高了骨缺损的修复性能^[5,6]。

点击了解类器官培养基质胶OrgrowGel™ Matrix

点击了解iPSCs培养基StemFit（临床级&科研级）

点击了解各种细胞因子Growth Factor

点击了解组织解离解决方案