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    香港中文大學邊黎明教授課題組《Nano Letters》: 納米復合水凝膠調控細胞行為
    2020-05-19  來源:高分子科技

      開發仿生多功能生物材料來模擬細胞微觀環境,對于組織工程,疾病建模,仿生納米藥物和干細胞生物學等各種研究領域的進展具有重要作用。其中刺激響應型(Stimuli-responsive)的生物材料是最為廣泛發展之一,如在特定的時間和位置精確地呈現各種活性配體,達致調控細胞的行為,包括粘附,擴散,機械傳感和分化等。近年不少研究報導證明能通過光控、磁控、生物化學控等外界刺激策略來短暫或可逆地控制(ON-OFF機制)細胞-材料相互作用,而其基理一般是依靠活性配體與生物材料斷開和重建相互作用(共價或非共價鍵合),或是消除活性配體的籠子(Cage)以達到配體的呈現。然而,很少研究集中在利生物材料的宏觀支架作為一個可磁控的動態籠子(Dynamic Cage)結構來操縱配體呈遞的獨特方法,其設計有利于提高生物材料的體內植入。


      針對上述問題,邊黎明教授團隊開發了一種磁控納米復合水凝膠,通過結合戴有粘附配體(RGD)的磁性納米顆粒(Fe3O4, RGD-MNP)和軟質(2.31 ± 0.91 kPa)透明質酸(HA)水凝膠而組成的基質,以調節人類干細胞(hMSCs)的粘附、遷移和分化(方案1),該團隊將該平臺命名為MagTrigel (Magnetically Triggered dynamic ligand-presenting hydrogel)。他們假設MagTrigel于向上的磁性吸引增強了RGD配體的呈現(“EXPOSED”),從而產生了細胞粘附表面,從而增強了hMSC的整合素相聯的機械感測(方案1A),而向下磁性吸引使水凝膠網絡能夠掩蓋RGD-MNP(“HIDDEN”)并抑制細胞的整合素相的機械感測(方案1B)。


    方案1 特定磁場方向吸引力調節MagTrigel 與hMSCs的相互作用和機械傳感的示意圖。(A) 向上的磁性吸引“EXPODED”狀態 (B) 向下的磁性吸引“HIDDEN”狀態 (C) MagTrigel 的詳細化學結構。


    圖1 通過操縱方向性磁引力來控制在MagTrigel上的細胞進行循環的粘附和脫離。(A) 細胞培養在(i)“EXPOSED”或 (ii) “HIDDEN”上的粘著斑相關蛋白的熒光染色圖(vinculin綠色),(F-actin紅色)其細胞行為是循環可逆。(B)針對細胞粘附、鋪展和機械感測是相關蛋白(YAP)熒光核定位比率的統計分析。


      該團隊進一步證明,MagTrigel可以在多個周期(16個周期,圖1B)“暴露”和“隱藏”條件之間的循環切換,使hMSC在軟質MagTrigel上的粘附著和脫離。而,硬質(Sitff,10.2±1.16 kPa)的MagTrigel無法提供水凝膠有足夠的變形能力令RGD-MNP被HA水凝膠的三維網絡結構籠罩。他們更發現MagTrigel同時能影響細胞的遷移行為(圖2),若給MagTrigel放置一個橫向磁場吸引力,細胞會往磁場相反方向遷移,其原因可能是被磁場吸引的RGD-MNP對MagTrigel的局部拉扯降低了HA結構網路的系繩順應性(Tether Compliance,圖2Bv),導致細胞偏好遷移在相應的系繩順應性位置上在,但細胞在其他狀態則沒有特向異性遷移行為。于誘導干細胞分化方面,MagTrigel在持續的“暴露”狀態下使hMSC有更良好的整合素介導的機械轉導信號,促進其成骨分化;而持續的“HIDDEN”狀態抑制hMSC的整合素介導的機械轉導信號,抑制其分化及更有可能是促進了去分化(Dedifferentiation ,干細胞標記如Nanog的基因表達有上升趨勢)(圖3)。當中更令人感興趣的研究結果表明,交替方向(每天更換)的磁力吸引誘導了hMSC的循環分化(“EXPOSED”)和去分(“HIDDEN”),更驚人地促進了hMSC的各種分化結果(成骨和成脂分化)。根據以前的研究表明,干細胞經過多次分化及去分化處理后,由于該細胞帶有相關表觀遺傳記憶(epigenetics memory),增強了其誘導分化潛能。因此這些發現表明,邊黎明團隊演示MagTrigel能通過各向磁控調節的納米級RGD的動態呈現,并為研究干細胞的機械傳感分化提供了一種多功能工具。


    圖2。(A,利用SiR-肌動蛋白和Hoechst染色以監測單細胞遷移。)(B,i–iv)玫瑰圖顯示細胞遷移方向和速度(B,v)在橫向磁引力作用下。下,RGD-MNP使MagTrigel局部系繩順應性產生相反方向的差異。


    圖3。(A)針對堿性磷酸酶(ALP),RUNX2,oil Red O和PPARγ進行染色,以分析具有不同的磁力方向吸引切換對 hMSC的誘導成骨成脂分化的影響(B)定量ALP和油紅O陽性細胞(C)量化RUNX2和PPARγ的核聚集(D)ALP,RUNX2,PPARγ和NanoG的相對基因表達水平的量化。


      總體而言這種仿生方法為利用整體生物材料的三維網路結構中的物理空間位阻提供了一種新概念,作為宏觀籠蔽結構,以方向性磁引力觸發生物活性配體暴露/隱藏由的動態呈現。由于HA水凝膠和Fe3O4納米顆粒均已被廣泛評估用于臨床應用,因此該團隊的MagTrigel在體內應用中具有一定的潛力。另外,磁場是用于各種醫療用途的安全且穿透組織的物理輻射,MagTrigel為細胞再生醫學工程上提供了一種簡單而通用的新平臺。 


      以上相關成果發表在Nano Letters(Nano Lett. 2020, 20, 5, 3207-3216)上。論文的第一作者為該團隊的博士后王兆康,通訊作者為邊黎明教授


      論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b05315


    邊教授近期相關學術論文:

    1. Li, R; et al.; *Bian, L. Synthetic presentation of noncanonical Wnt5a motif promotes mechanosensing-dependent differentiation of stem cells and regeneration. Science Advances, 2019, 5: eaaw3896.

    2. Zhou, H.; Liang, C.; Wei, Z.; Bai, Y.; Bhaduri, S.B; Webster, T. J.; *Bian, L.; *Yang, L. Injectable biomaterials for translational medicine. Materials Today, in press.

    3. Chen, X.; et al.; *Bian, L. Conformational manipulation of scale-up prepared single chain polymeric nanogels for multiscale regulation of cells. Nature Communications, 2019, volume 10, Article number: 2075.

    4. +Feng, Q.; +Xu, J.; et al.; *Qin, L; *Bian, L. Dynamic and cell-infiltratable hydrogels as injectable carrier of therapeutic cells and drugs for treating challenging bone defects. ACS Central Science, 2019, 5 (3), pp 440–450.

    5. +Kang, H.; +Wong, S.H.D.; et al.; Li, G.; *Bian, L. Anisotropic ligand nanogeometry modulates the adhesion and polarization state of macrophages. Nano Letters, 2019 Mar 13;19(3):1963-1975.

    6. +Wong, S.H.D.; +Yin, B.; et al.; Li, G.; *Choi, C. H.; *Bian, L. Anisotropic nanoscale presentation of cell adhesion ligand enhances the recruitment of diverse integrins in adhesion structures and mechanosensing-dependent differentiation of stem cells. Advanced Functional Materials, Volume 29, Issue 8, 2019, adfm.201806822.  

    7. +Kang, H.; +Yang, B.; et al.; Li, G.; *Bian, L. Immunoregulation of macrophages by dynamic ligand presentation via ligand-cation coordination. Nature Communications, 2019, volume 10, Article number: 1696.

    8. +Kang, H.; +Zhang, K.; et al.; Dravid, V.; *Bian, L. In situ reversible heterodimeric nanoswitch controlled by metal ion-ligand coordination regulates the adhesion, release, and differentiation of stem cells. Advanced Materials, 2018 Nov; 30(44), adma.201803591.

    9. +Zhang, K.; +Yuan, W.; et al.; *Zhang, Z.; *Bian, L. Highly dynamic nanocomposite hydrogels self-assembled by metal ion-ligand coordination, Small, 2019, smll.201900242.

    10. +Zhang, K.; +Jia, Z.; et al.; *Wang, D.; *Bian, L. Adaptable hydrogels mediate cofactor-assisted activation of biomarker-responsive drug delivery via positive feedback for enhanced tissue regeneration. Advanced Science, 2018 Dec; 5(12): 1800875.

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