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    中科院長春應化所陳學思、賀超良團隊:生物活性聚氨基酸水凝膠促進間充質干細胞軟骨向分化
    2020-06-11  來源:中國科學化學

      中科院長春應化所陳學思院士、賀超良研究員團隊以構建生物活性與生物可降解3D細胞培養水凝膠支架材料為主題,設計制備了一種無催化“點擊”反應交聯的聚(L-谷氨酸)(PLG)水凝膠。通過同時將細胞黏附肽c(RGDfK)和神經鈣粘素模擬肽鍵合到水凝膠網絡中,實現了對水凝膠體系中材料-細胞及細胞-細胞之間雙重相互作用的調節。采用該生物活性水凝膠為支架材料,顯著促進了骨髓間充質干細胞(BMSCs)在水凝膠表面的黏附,以及干細胞在凝膠內的軟骨向分化。該研究為構建多重生物功能化3D細胞培養平臺提出了一種新的方法。


      水凝膠是一種親水性或雙親性的三維網狀聚合物材料。因其水分含量高,并可以為細胞提供類似于天然細胞外基質的微環境,在組織工程和再生醫學領域有巨大的應用潛力。目前,研究者們已經開發了多種可用于制備水凝膠的天然和合成高分子,其中合成高分子具有組成和化學結構明確、免疫原性低、機械性能可調節等優勢。由天然來源的α-氨基酸-N-羧基內羧酸酐開環聚合形成的合成聚肽(或聚氨基酸)具有良好的生物相容性、生物可降解性以及與天然蛋白質相似的仿生二級結構等優點。而且,部分氨基酸殘基固有的羧基、氨基或羥基側基有利于實現材料的功能化修飾。因而聚氨基酸水凝膠在3D細胞培養和組織工程支架方面的應用受到了越來越多的關注。


      在以往的研究中,制備聚氨基酸水凝膠通常采用的交聯方式包括辣根過氧化物酶/過氧化氫體系(HRP/H2O2)、成腙反應和EDC/NHS體系等,但是這些交聯體系中所包含的過氧化氫、自由基、醛類或小分子化學交聯劑難以避免會對水凝膠所負載細胞或生物活性物質產生一定的毒性。而生物正交反應,特別是無催化劑點擊反應,憑借其快速、高效、高選擇性以及良好的體內外生物相容性已成為一種新興的交聯策略。


      另一方面,水凝膠的生物活性同樣是顯著影響其再生醫學應用的關鍵因素。在誘導水凝膠負載的BMSCs軟骨向分化的過程中,以前關注點多集中于調節細胞-材料相互作用,進而實現對干細胞分化行為的調控。然而研究表明,在干細胞分化早期,細胞聚集狀態下的細胞-細胞相互作用對于細胞的命運同樣具有重要影響,因此同時實現對于水凝膠3D細胞培養體系的材料-細胞及細胞-細胞雙重相互作用的有效調節,對于干細胞行為的更精確調控具有重要意義。然而,目前相關研究報道較少。


      近期,陳學思院士、賀超良研究員團隊將分別由疊氮與環辛炔衍生物修飾的PLG在生理條件下混合,通過自發的疊氮-環辛炔環加成反應,制備了PLG水凝膠。該無催化劑點擊交聯方法反應條件溫和、高效,具有良好的生物相容性。BMSCs在水凝膠內部體外培養時,能保持高存活率;而當水凝膠注射到大鼠皮下后,10周內可完全降解,并表現出良好的組織相容性。進一步通過在PLG側鏈同時接枝細胞黏附肽(c(RGDfK))與神經鈣黏素模擬肽(N-cad),可改善水凝膠體系的生物活性。神經鈣黏素能夠依靠同源相互作用介導細胞-細胞連接和信號交流,而含有組氨酸-丙氨酸-纈氨酸(HAV)結構域的合成短肽N-cad已被報道具有神經鈣黏素相近的結合特性。該研究結果證明,當這兩種多肽共價連接到PLG水凝膠體系后,一方面顯著促進了BMSCs在水凝膠表面的黏附以及軟骨細胞在水凝膠內部的增殖;另外在誘導培養BMSCs軟骨向分化過程中,N-cad的引入顯著增加了水凝膠中軟骨特異性基質的產生以及軟骨生成相關基因和蛋白的表達。該研究為構建多重生物功能化3D細胞培養平臺提出了一種新的方法。



      該工作近期發表于Sci. China Chem.。論文第一作者為長春應化所博士研究生榮巖,通訊作者為賀超良研究員。詳見:Yan Rong, Zhen Zhang, Chaoliang He*, Xuesi Chen. Bioactive polypeptide hydrogels modified with RGD and N-cadherin mimetic peptide promote chondrogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells. Sci. China Chem., 2020, DOI: 10.1007/s11426-020-9772-0.


      原文鏈接:https://doi.org/10.1007/s11426-020-9772-0

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