山东大学刘宏课题组Chem. Soc. Rev.: 纳米结构介导的物理信号调控干细胞命运

一、引言

组织工程是一门以细胞生物学和材料科学相结合，进行体外或体内构建组织或器官的新兴学科。作为重要的种子细胞，干细胞极大地推动了组织工程领域的进步，然而其可控分化仍然是一个重要挑战。

干细胞表面受体可以感知细胞的物理环境或细胞外基质中的物理信号 因此，通过细胞周围的物理信号或细胞所暴露的物理场，对调控干细胞的命运发挥重要作用。与生物和化学信号相比，物理信号具有更高的安全性、更低的成本并且容易实现局域化刺激，已成为调控干细胞命运的有力手段。力、光、热、电、声和磁等物理信号通常直接作用于细胞，或者依赖于纳米材料构建的细胞微环境而施加。

与生物信号和化学信号相比，物理信号安全性高、毒性低并且容易实现局域化刺激。在大多数情况下，外部宏观物理场难以精准调控干细胞命运，因为只有当细胞表面受体感知到局域化的物理信号时，才能影响细胞的命运决定。当施加宏观外场时，弱场难以激活细胞受体，而强场可能由于其侵入式刺激对周围组织造成潜在风险。为了实现无创和非接触式刺激，借助材料进行间接物理刺激是一种更加安全而有效的手段。

二、成果简介

山东大学刘宏课题组提出利用纳米结构介导的物理信号调控干细胞命运这一概念，并以“Regulation of stem cell fate using nanostructure-mediated physical signals”为题，在Chemical Society Reviews上发表综述文章。该综述根据细胞所感知的信号，把物理信号分为力、电、声、光、热、磁六类，并总结各种物理信号的内在联系和作用机制，详细讨论纳米结构介导的物理信号对干细胞特定谱系分化的作用。作者希望本文能够为远程操控和无线刺激引导干细胞体外和体内分化提供帮助，并推动材料科学、细胞生物学和临床研究等领域的进步。

三、图文导读

图1. （a）细胞外基质的微结构和组成。细胞周围有胶原纳米纤维和蛋白多糖复合纳米纤维，以及纳米结构的纤维连接蛋白和整合蛋白。（b）细胞信号通路受蛋白磷酸化调控，在细胞发育和干细胞多能状态的调节中起关键作用。（注：图中参考文献出处见原文）

图2. 材料纳米结构介导的物理信号和调节干细胞分化的相互作用示意图。 (NIR，近红外；CB，导带；VB，价带；LSPR，局域表面等离子体共振；TENG，摩擦电纳米发电机；MEA，微电极阵列；UV，紫外线；US，超声波)

图3. 机体内细胞、组织和器官水平的机械刺激。（注：图中参考文献出处见原文）

图4. （a）对干细胞施加剪切应力的生物反应器照片。（b）明场图像（上），对应的oct3/4荧光图像（中）以及对应的CAGGS表达的图像（下）。细胞粘附在RGD包被微珠上，并对其连续施加循环应力1 h （17.5 Pa, 0.3 Hz）。（注：图中参考文献出处见原文）

图5. （a）水凝胶介导的机械信号影响细胞响应的示意图总结。（b）细胞外基质纳米形貌对干细胞的影响。（注：图中参考文献出处见原文）

图6. 基底弹性调控干细胞命运。（a）影响干细胞分化的因素有多种，包括分泌的可溶性因子、基质基质的弹性和二维/三维培养等。（b）通过交联可以控制凝胶的弹性模量，通过胶原蛋白来控制细胞粘附等。（c）小鼠间充质干细胞在RGD修饰的不同硬度的藻酸盐水凝胶中培养，碱性磷酸酶（ALP，成骨标志物，蓝色）和脂滴（油红O，成脂标志物，红色）染色图像。（注：图中参考文献出处见原文）

图7. 聚乳酸纳米柱阵列不同的柱列直径驱动成骨分化。（注：图中参考文献出处见原文）

图8. （a）有序的纳米结构维持间充质干细胞干性。（b）人源间充质干细胞在PDMS微柱列上的铺展SEM图像。（注：图中参考文献出处见原文）

图9. 微图案化的二氧化钛陶瓷和二氧化钛纳米棒阵列控制骨髓间充质干细胞的定域定向成骨分化。（注：图中参考文献出处见原文）

图10. 神经干细胞在不同二氧化钛微图案基底上的定域定向分化。（注：图中参考文献出处见原文）

图11. （a）形状记忆聚合物压缩前后动态图像。（b） 在38℃和41℃热处理后，不同微孔的c-6A PEGPCL形状记忆聚合物基底的SEM图像。（c）程序化控制大鼠骨髓间充质干细胞的形状，肌动蛋白细胞骨架重组，以及通过热诱导形状记忆效应激活的微沟槽表面的动态变化而使细胞分化的示意图。（d）水凝胶溶液在4℃下可流动，在37℃下快速成胶。（注：图中参考文献出处见原文）

图12. 光交联水凝胶、压电薄膜和磁场介导的机械信号调控干细胞分化。（a）甲基丙烯酸透明质酸交联过程示意图。（b）细胞培养在压电薄膜可感受逆压电效应产生的微振动。（c）使用磁化胚胎干细胞来创造一个拟胚体，并使用远程磁力来刺激它。（注：图中参考文献出处见原文）

图13.（a）静磁场刺激下，在21天的成骨培养后，通过茜素红染色评估人源间充质干细胞矿化骨结节的形成。（b）放置于二氧化碳培养箱中用于产生电磁场的电磁线圈，内径180 mm，长度400 mm。（c）低频电磁场（50 Hz, 1 mT）刺激人骨髓间充质干细胞神经元分化过程的示意图，以及神经元标志物TuJ1的神经元免疫荧光图像。（注：图中参考文献出处见原文）

图14.（a）图示为内部磁性纳米粒子和外部磁场的联合磁信号，可以影响细胞响应。（b）图为利用电磁场诱导的金纳米颗粒磁化将成纤维细胞重编程为多巴胺能神经元的过程。瞬时转染apelin的小鼠成纤维细胞培养在金纳米颗粒涂层基底上，并暴露于特定频率和强度的电磁场。（注：图中参考文献出处见原文）

图15. 有光热响应的纳米材料。（a）黑磷（BPs）的SEM图像。（b，c）PLGA和0.2 wt% BPs@PLGA薄膜的照片。（d）808 nm激光辐照下，PLGA和BPs@PLGA薄膜的光热曲线。 （e）CuS@BSA（牛血清白蛋白）的颗粒尺寸分布和TEM图像。（f）在980 nm近红外光辐照下，CuS@BSA分散液的红外热成像图。（g）在980 nm近红外光辐照下，基质胶或负载CuS@BSA的基质胶在体内的红外热成像图。（注：图中参考文献出处见原文）

图16. 光转换材料介导的光信号调控干细胞分化。（a）上转换纳米颗粒（UCNP）@SiO₂的TEM图像。（b，c）基于UCNP的基底调控细胞-基质相互作用和人源间充质干细胞（hMSCs）命运的示意图。（d）近红外光照射下细胞内上转换纳米传感器调控hMSCs分化示意图。（e）实时测量hMSCs的相对荧光强度。（f）铌酸锂纳米晶在典型梭形干细胞内的二次谐波产生信号的分布，以及内吞铌酸锂纳米晶（蓝色）的大鼠间充质干细胞的荧光图像及肌动蛋白染色（红色）。（注：图中参考文献出处见原文）

图17. 直接电刺激调控干细胞分化。（a）由孵育室和电极组成的生物反应器的照片。（b）用于培养连接到双相电流刺激器的神经干细胞的培养皿和ITO导电玻璃的示意图。（c）早期或晚期人诱导多能干细胞来源的心肌细胞和辅助作用的成纤维细胞被纤维蛋白水凝胶包裹，形成组织在两个弹性支柱之间伸展，通过电刺激使其收缩。（注：图中参考文献出处见原文）

图18. 导电材料用于介导电刺激调控干细胞分化。（a）由在聚乙烯亚胺（PEI）预涂覆玻璃上制备的纤维蛋白包被金纳米颗粒的SEM图像。（b）交流电场刺激培养在纤维蛋白包被金纳米颗粒上的人胚胎干细胞的示意图。（c）左旋聚乳酸/聚苯胺（PLLA/PANi）静电纺丝纳米纤维的SEM图像。（d）碳纳米管绳电刺激装置图片。（e）小鼠神经干细胞在三维石墨烯泡沫（3D-GFs）上的低倍和高倍扫描电镜图像，活/死染色图像和免疫荧光图像。（注：图中参考文献出处见原文）

图19. 一些电刺激调控干细胞分化的手段。（a）纳米摩擦发电机示意图。（b）15%聚(3,4-乙二氧噻吩)-还原氧化石墨烯微纤维的SEM图像。（c）微电极阵列芯片的照片，四极电极阵列的显微图像，以及带有四个圆形电极的单个四极电极单元的示意图。（d）铌酸锂晶体结构与表面电荷自发极化诱导状态。（注：图中参考文献出处见原文）

图20. 压电纳米颗粒介导的电刺激调控干细胞分化。（a）碳纳米管和氮化硼纳米管的结构示意图。（b）细胞的“无线”电刺激: 受外部超声刺激，压电纳米颗粒提供内部电刺激。超声诱导的氮化硼纳米颗粒（BTNPs）影响细胞（c）钙和（d）钠瞬态变化。（e）尼龙-11纳米颗粒的SEM图像。（f）压电力显微镜检测尼龙-11纳米颗粒压电响应的相对振幅。（注：图中参考文献出处见原文）

图21. 压电薄膜/复合物介导的电刺激调控细胞分化。（a）α-PVDF和（b）β-PVDF的结构示意图。（c）对细胞的“无线”电刺激:压电基底（如β-PVDF）在超声刺激下提供细胞外部电刺激。（d）P(VDF-TrFE)的结构示意图。（e）超声引起的压力变化幅度和（f）P(VDF-TrFE)薄膜对应的电压。（g）P(VDF-TrFE)/BNTPs薄膜的PFM图像。（注：图中参考文献出处见原文）

图22. 磁/压电复合物介导的驱动细胞分化。（a）超声驱动压电微马达诱导PC12细胞神经元分化的示意图。（b）PC12细胞在不同培养条件下的对比。（c）S.platensis@Fe3O4@BTNPs 微马达的SEM图像。（d）微马达处理后PC12的细胞活性。（e）微马达诱导靶向PC12细胞分化示意图。（f）微马达和超声信号共同刺激分化的PC12细胞的荧光图像。（g）比较不同条件下培养的PC12细胞神经突长度。（注：图中参考文献出处见原文）

图23. 光伏微太阳能电池阵列调控SaOS-2细胞响应。（注：图中参考文献出处见原文）

图24. 光催化纳米材料介导电信号调控干细胞分化。（a） GO/TiO₂薄膜和（b）其上GO薄片的AFM图像。（c）无刺激或（d）有闪光刺激条件下，rGO/TiO₂上分化三周的人源神经干细胞免疫荧光图像。 （e） C₃N₄片的SEM图像。（f）分散在水中的C₃N₄片在不同激发波长下的双光子荧光光谱。（g）在蓝光和红光辐照下C₃N₄片产生的光电流。（注：图中参考文献出处见原文）

四、小结

将物理信号应用于干细胞，能够以一种及时和能量可控的刺激方式来调控干细胞命运，并有望在未来应用于临床。然而，大多数传统的物理信号应用技术仅适用于体外实验，因为它们需要大尺寸的信号发生器，缺乏靶向和特异性调控目标干细胞的能力，并不能避免影响周围的细胞或组织，这就阻碍了利用物理信号调节干细胞命运的实际应用。本文在总结前期研究成果后，提出了“利用纳米结构介导的物理信号调控干细胞命运”的新概念。

基于这一概念，在外场作用下，纳米生物材料表面可以产生局域无线物理信号，而与之共培养的干细胞可以获得局部、实时、定量的物理刺激。然而，这一研究领域还很“年轻”，其未来的研究和实际应用也面临着重大挑战。与此相关的几个方面需要深入探索：

（1）研究局域化物理信号调控干细胞命运的机理；

（2）实现无线物理刺激的新型材料及装置设计；

（3）基于通过纳米结构介导的物理信号调控干细胞命运的组织再生体内研究；

（4）不同学科背景团队的交叉合作。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D1CS00572C

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