Nat. Mater.：基质重构实现3D水凝胶中神经祖细胞干性维持

【背景介绍】

在三维（3D）水凝胶中培育神经祖细胞（NPC）对于在治疗上扩大相关数量的干细胞是很有效的策略。神经祖细胞（NPCs）是一种能够自我更新和分化成中枢神经系统主要细胞类型的干细胞群。神经祖细胞直接替代受损组织并分泌营养因子的潜能使其成为许多神经系统疾病有吸引力的治疗方法。然而，在治疗上扩大相关数量的干细胞同时保留其未分化的显性性状仍然是一个重大的挑战。

【成果简介】

近日，斯坦福大学Sarah C. Heilshorn（通讯作者）团队发现在约0.5至50kPa的生理学相关刚度范围内，干性维持与初始水凝胶刚度不相关。相反，水凝胶降解与神经祖细胞干细胞维持相关。这种降解不依赖于细胞支架张力和工程胶粘剂配体，而是依靠基质重构来促进钙粘蛋白介导的细胞间接触并促进β-连环蛋白信号传导。在两个额外的水凝胶系统中，证明NPC介导的基质重构是3D中干性维持的一般化策略。相关成果以题为“Maintenance of neural progenitor cell stemness in 3D hydrogels requires matrix remodelling”发表在了Nature Materials上。

【图文导读】

图1 在水凝胶中维持NPC干性需要基质降解，但不依赖于细胞骨架张力或基质-粘附配体相互作用

a，示意图描绘了基于水凝胶可降解性的细胞支架张力在NPC干细胞性中的可能作用

b，然而，在高可降解性水凝胶中存在抑制剂的情况下，在培养7天后没有观察到巢蛋白和Sox2表达的降低

c，通过将ELP细胞粘附基序的氨基酸序列从整合素结合RGD序列改变为非整合素结合RDG序列来改变整合素介导的与水凝胶基质的接合

d，培养7天后，具有不同可降解性的水凝胶中具有或不具有整合素结合RGD配体的NPC标记物巢蛋白和Sox2的mRNA的表达

e，假设去除ADAM9将导致水凝胶降解减少

f，通过shRNA介导去除ADAM9使水凝胶降解减少，3天后降低了巢蛋白和Sox2的表达

图2 基质重构通过调节钙粘蛋白介导的细胞间接触来调节NPC干细胞

a，低降解性凝胶显示出少许的重构

b，相反，高降解性ELP凝胶随着时间推移显示出显著的重构性

c，在低降解性凝胶中，巢蛋白和Sox2表达在所有时间点都被抑制

d，巢蛋白和Sox2在高降解性凝胶中的表达最初受到抑制

e，用钙粘蛋白阻断环状-HAV肽（cHAV）处理抑制高可降解性水凝胶中的巢蛋白和Sox2表达

f，通过ADAM9介导的基质重构调节NPC干细胞的机制

图3 NPC干性维护因重构而异

a，制备具有可调ADAM9降解性和强度的共价交联水凝胶

b，通过改变交联肽的总量来调节水凝胶的弹性模量

c，NPC标记物巢蛋白和Sox2的mRNA表达不随水凝胶强度而变化

d，然而即使在最软（E≈600Pa）的水凝胶中，降低可降解性导致巢蛋白和Sox2的表达降低

e，重构物理交联的藻酸盐水凝胶

f，物理交联的藻酸盐水凝胶促进基质重构

【小结】

该研究表明了基质重构对于3D水凝胶中NPC干性维持的必要性，水凝胶重构可以通过化学降解共价交联网络或物理交联网络的物理重构来实现。因为重构介导的干性维持似乎与水凝胶刚度正交，所以NPC的机械敏感性分化应用于可重构凝胶中的NPC可产生大量分化的细胞。

文献链接：Maintenance of neural progenitor cell stemness in 3D hydrogels requires matrix remodelling（Nat.Mater, 2017, DOI:10.1038/nmat5020）

本文由材料人生物材料组Allen供稿，材料牛整理编辑。

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